Как известно, на тело, погруженное в жидкость действует выталкивающая сила (сила Архимеда), а также силы тяжести. Они направлены противоположно друг другу и их результирующая будет находиться как их разность R = FАрх - FТяж, сохраняя направление большей силы. При нахождении тела внутри жидкости возможны три ситуации:
Сила тяжести равна по модулю силе Архимеда. Равнодействующая будет равна нулю, в следствии чего, тело будет находиться внутри жидкости на любой глубине, не всплывая и не погружаясь.
Сила тяжести меньше силы Архимеда, следовательно результирующая сила - на рисунке она нарисована желтой стрелкой, будет направлена вверх и тело всплывает.
Сила тяжести больше силы Архимеда и результирующая этих сил будет направлена вниз и тело будет тонуть в жидкости.
Сила Архимеда определяется по формуле FA = ρжgV, сила тяжести - Fт = ρтgV, если тело плавает внутри жидкости, то сила Архимеда равна весу тела, то есть FA=Fт. Значит и ρжgV = ρтgV, разделив левую и правую части равенства объем тела и ускорение свободного падения (gV), получим ρж = ρт, следовательно, если тело плавает внутри жидкости, значит его плотность равна плотности жидкости. Если же плотность тела будет меньше плотности жидкости, значит вес тела меньше силы Архимеда и тело всплывает, и наоборот, если плотность тела больше плотности жидкости то оно будет тонуть. Таким образом, именно соотношение плотности тела с плотностью жидкости и определяет поведение тела в жидкости.
Плавание судов
Из вышесказанного понятно, что в воде плавают тела, плотность которых меньше плотности воды. Однако суда, плавающие по морям и рекам изготовляются из железных листов, а плотность железа приблизительно в 7 раз больше плотности воды. Почему же железные суда не тонут? Почему не тонет металлическая лодка в грузом? Все дело в том, что любое судно не представляет собой цельно литую металлическую конструкции - внутри любого судно достаточно свободного пространства, заполненного воздухом и, как следствие, общая его плотность (отношение массы судна к его объему) меньше плотности воды. Вес воды, вытесняемой подводной частью судна равен весу самого корабля с грузом и называется водоизмещением, которое изменяется в единицах измерения массы. Ниже на рисунке показаны основные понятия плавания судов.
