Юный техник, 2005 № 09
Шрифт:
Одна из самых распространенных, пусть далеко не самых точных формулировок закона Архимеда гласит: «Тело, опущенное в воду, теряет в своем весе ровно столько, сколько весит вытесненная им вода».
Этой формулировки достаточно, чтобы строить океанские пароходы и даже… дирижабли. Несмотря на это, уроки по теме «Закон Архимеда» считаются самыми сложными. Возможно, это связано с тем, что школа всегда старалась дать ученику не только умение делать расчеты, но и понимание того, откуда сила Архимеда берется.
В прежние времена для наглядного разъяснения закона Архимеда существовало множество
Начиналось с самого простого. В снабженный проволочным каркасом цилиндр из каучука наливали ртуть (тогда к ней относились без опаски). И оказывалось, что внизу его стенки раздуты особенно сильно, что свидетельствовало о росте давления с глубиной. Сегодня о ртути знают больше и потому резиновый воздушный шарик наполняют водой. Результат тот же.
В обоих случаях достигается лишь качественное подтверждение правоты Паскаля. Для точного же нужны измерения.
Приборы немецкого изобретателя Гартля позволяли измерять давление жидкости в сосуде на любой глубине в любом направлении. Вот как они действовали. В «аквариум» (рис. 1) опускалась особая чашка, укрепленная на шарнире, позволявшем ее повернуть или наклонить. На чашку была натянута резиновая пленка, а сама она при помощи шланга соединялась с атмосферным воздухом.
< image l:href="#" />Пленка под действием давления прогибалась, а величина прогиба зависела от давления. Через рычажок пленка соединялась со стрелкой, которая двигалась по шкале. Давление воды прогибало пленку, и стрелка отклонялась, показывая в условных единицах его величину. Устройство и действие прибора было предельно понятным любому.
Но в те времена (начало XX века) все вещи рассчитывались на долгие годы работы и должны были быть просты в ремонте. Однако замена в приборе прорвавшейся пленки и присоединение ее к рычажку стрелки вызывало затруднения.
Гораздо надежней и проще в ремонте был другой прибор Гартля (см. рис. 2).
В нем затянутая пленкой чашка соединялась с водяным манометром. Прогибаясь под действием давления воды, пленка вытесняла из чашки воздух. Он поступал в манометр и поднимал в нем столбик воды. Высота его была пропорциональна давлению воды в жидкости.
Тот же изобретатель создал прибор, измеряющий давление жидкости на дно сосуда (рис. 3).
Для этого служила чашка с пленкой, соединенная со стрелкой, почти как в первом приборе. Только стрелка была значительно длиннее и снабжалась большой, хорошо заметной шкалой. К чашке крепили сменные стеклянные сосуды
Известный изобретатель Отто фон Герике поставил некогда такой опыт. К крышке герметически закрытой бочки с водой он присоединил тонкую, но очень высокую трубку, а затем налил в нее воду. Давление в бочке повысилось, из всех щелей ее забили струи. Это явление принято называть гидростатическим парадоксом, а объясняется оно законом Паскаля. Дополнительное давление, создаваемое в трубке, пропорционально высоте водяного столба. Оно действует на воду, находящуюся в бочке, передается по всем направлениям и заставляет стенки бочки прогнуться. В них образуются щели, и через них бьет вода.
Гидростатический парадокс показывали и при помощи аппарата Сире (рис. 4).
Он состоял из цилиндрического стаканчика с водой, на который плотно, без зазора, надевался цилиндрический колпачок с тонкой высокой трубкой. Когда эту трубку заливали водой, колпачок начинал подниматься. К пояснению собственно закона Архимеда шли отдельными шагами.
К установленному в сосуде прозрачному цилиндру с ровно отрезанным и отшлифованным торцом (рис. 5) прижимали и удерживали на нитке тяжелую пластинку. Когда сосуд заливали водой, нитку выпускали из рук, но пластина продолжала удерживаться, теперь уже давлением воды. Тем самым ученику показывали, что в жидкости существуют силы, направленные вверх, и они могут поддерживать плавающее тело.
Аппарат Шеллена показывал, что плавающее тело до тех пор погружается в воду, пока не вытеснит столько воды, сколько весит оно само (рис. 6).
Аппарат состоял из прозрачного цилиндра со сливной трубочкой, направленной в мензурку. В цилиндр наливали воду до уровня этой трубочки и аккуратно опускали в него заранее взвешенное тело, способное плавать. Оно до какого-то уровня погружалось в воду, которая выливалась в мензурку. По объему воды определяли ее вес, и оказывалось, что он равен весу тела.
Начало XX века — это время появления подводных лодок. Поэтому некоторые опыты посвящались особенностям плавания под водой.
Случается, что подводная лодка ложится на грунт, а после не может всплыть. Объясняется это тем, что грунт имеет большую вязкость и через него на нижнюю поверхность лодки не передается гидростатическое давление. Таким образом, получалось, что лодка, продув балластные цистерны, стала легче воды, но основной причины всплывания — давления снизу — нет, всплыть невозможно.