В данной статье рассматривается зависимость архимедовой силы, действующей на тело в жидкости (воде), от температуры. При проведении различных лабораторных работ, связанных с архимедовой силой, действующей на тело в жидкости (воде), необходимо учитывать температуру жидкости (воды).

Ключевые слова: архимедова сила, температура, плотность жидкости, коэффициент объёмного расширения, объём, вода

Известно, что архимедова сила зависит от плотности жидкости и объёма погруженной части тела, и это доказано экспериментально. Различные лабораторные работы выполняются в кабинете физики при температуре от 20°С до 25°С. Ведь известно, что плотность жидкости зависит от её температуры. В лабораторных работах, связанных с жидкостью (например, водой), при расчётах плотность принимается 1000.

Как правило, при уменьшении температуры жидкости её плотность увеличивается. Но есть вещество, чья плотность ведёт себя по-другому — это вода. Все природные материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Единственным исключением из этого правила является вода. Вода имеет наибольшую плотность при температуре +4°С, при которой один литр воды имеет массу один килограмм. Если вода нагревается или охлаждается относительно этой критической точки, её объём увеличивается, что означает уменьшение плотности, то есть вода становится легче.

А теперь проверим экспериментальным путём зависимость архимедовой силы от температуры воды.

1.                Подвесим к рычагу два одинаковых тела, добиваемся равновесия и погружаем одно тело в воду комнатной температуры, а второе — в воду с температурой выше комнатной.

Наблюдаем нарушение равновесия: в воде комнатной температуры тело выталкивается сильнее.

2.                Подвесим к рычагу два одинаковых тела, добиваемся равновесия и погружаем одно тело в воду комнатной температуры, а второе — в воду с температурой ниже комнатной.

Наблюдаем нарушение равновесия: в воде с температурой ниже комнатной тело выталкивается сильнее.

Вывод: таким образом, архимедова сила зависит от температуры воды.

«Жидкости расширяются значительно сильнее твёрдых тел. Они также расширяются во всех направлениях. Объёмное расширение жидкостей характеризуется коэффициентом объёмного расширения β в данном интервале температур.

Объём жидкости при температуре t определяется формулой:

(1)

где V₀ — первоначальный объём жидкости при температуре t₀,

V _— объём жидкости при температуре t,

β — коэффициент объёмного расширения жидкости,

∆ t = t — t₀ — изменение температуры жидкости» 1, с. 187.

При нагревании жидкости изменяется не только её объём, но и плотность. Учитывая, что объём и плотность пропорциональны друг другу, то есть

,

тогда выражение (1) примет вид:

(2)

На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая (архимедова) сила, которая выражается формулой:

, (3)

где ρ — плотность жидкости при данной температуре,

g = 9,81 Н/кг — ускорение свободного падения,

V_Т — объём тела, погруженного в жидкость.

Рассчитаем архимедову силу при следующих известных физических величинах: тело (алюминиевый цилиндр) объёмом V=17,34∙10–⁶м³, g = 9,81 Н/кг и ρ=1000 – плотность воды при температуре t = 4°С.

Подставив численные значения физических величин в выражение (3), получим:

.

Таким образом, архимедова сила для данного тела при температуре 4°С, равна 0,1701 Н.

А теперь рассчитаем архимедову силу при температуре воды, равной 25°С. При данной температуре коэффициент объёмного расширения воды возьмём из справочника 2, с. 112: β = 302∙10–⁶С^-1.

Используя выражения (2) и (3), численные значения физических величин, получим:

.

Таким образом, архимедова сила для данного тела при температуре 25°С, равна 0,169 Н:

Сравним полученные значения архимедовой силы, воспользовавшись отношением:

.

Вывод: с увеличением температуры воды архимедова сила уменьшается.

Литература:

1.                Яворский Б. М., Селезнёв Ю. А. Справочное руководство по физике. Москва. 1975. с. 187.
2.                Енохович А. С. Справочник по физике и технике. // Просвещение. Москва. 1989. с. 112.