Мы знаем, что плавать на поверхности воды может любое тело, плотность которого ниже плотности воды. Но почему же в таком случае держится на воде деревянный брусок? Ведь плотность целлюлозы выше плотности воды. Почему не тонет корабль, сделанный из металла?
Всё дело в том, что брусок из дерева – неоднородное тело. Он держится на воде, потому что в нём есть воздух. Но через некоторое время он намокнет и начнёт тонуть. Это произойдёт, потому что давление воды вытеснит воздух, и вместо него внутри будет вода.
Средняя плотность тела и воздух
Тело плавает, когда его вес и выталкивающая его из воды сила, называемая силой Архимеда, уравновешены. Сила Архимеда зависит от плотности и объёма тела. В нашем случае брусок – неоднородное тело. Сначала оно состоит из целлюлозы и воздуха, который находится внутри него. Впоследствии – из целлюлозы и воды. Его объём остался неизменным. А плотность изменилась.
Средняя плотность физического тела – это отношение массы тела к его объёму.
Плотность тела вычисляется по формуле:
где m – масса тела,
V – объём тела.
Чтобы вычислить среднюю плотность тела, нужно сложить массы всех его составляющих и разделить на объём.
Очевидно, что пока брусок не пропитался водой, его средняя плотность была ниже плотности воды. Соответственно, выталкивающая сила была больше его веса. И он плавал. Но как только вода заменила воздух, плотность возросла, и выталкивающая сила стала меньше веса бруска. Он начал тонуть.
Подобное можно увидеть, наблюдая за поваленными деревьями, упавшими в воду. Сначала они остаются на плаву. Но со временем намокают и тонут. Так же будет вести себя и деревянный плот, если вода проникнет внутрь брёвен.
Пустая стеклянная банка, закрытая крышкой, плавает на поверхности воды, так как её средняя плотность значительно ниже плотности воды, и она выталкивается на поверхность силой, равной весу самой банки с воздухом. Но стоит только открыть крышку, как вода начнёт заполнять банку, и она будет опускаться всё ниже и в конце концов утонет. Подобрав определённое количество воды, можно сделать так, что средняя плотность банки будет равна средней плотности воды. В этом случае она будет плавать на любой глубине.
Рыба плавает, потому что средняя плотность её тела вместе с воздухом примерно такая же, как и плотность воды. Изменяя с помощью мышц объём своего пузыря, она изменяет среднюю плотность, и таким образом всплывает или погружается.
Человек удержится на плаву, если в его лёгких будет достаточное количество воздуха, которое попадает туда при вдохе. При полном вдохе средняя плотность тела меньше плотности воды. А при выдохе – больше. Поэтому, научившись правильно дышать в воде, можно научиться плавать. Нужно сказать, что в морской воде плавать легче, чем в речной, так как плотность воды в море выше, чем в реке.
Почему корабли держатся на воде
Точно так же плавает и корабль. Ведь это не цельный кусок металла. В нём множество пространств, заполненных воздухом. Вес корабля распределяется по большому объёму, в результате чего средняя плотность получается совсем небольшой. Выталкивающая сила, действующая на корабль, значительно превышает его вес вместе с оборудованием, грузом, и экипажем. И корабль не тонет.
По такому же принципу устроены и подводные лодки. Правда, в отличие от надводного корабля, они способны находиться на глубине, погружаться и всплывать, меняя свой удельный вес за счёт изменения объёма воды в балластных цистернах. А объём этой воды меняется за счёт запаса сжатого воздуха, всегда находящегося на борту подводной лодки.