Номер 4, страница 149 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

4. Что является причиной возникновения выталкивающей силы?

Причиной возникновения выталкивающей силы, также известной как сила Архимеда, является разность гидростатических давлений, которые жидкость или газ оказывают на разные по глубине части погруженного в них тела.

В любой жидкости или газе давление увеличивается с глубиной. Это связано с тем, что на нижние слои давит вес верхних слоев. Давление на глубине $h$ определяется по формуле: $p = \rho g h$, где $\rho$ – плотность жидкости или газа, $g$ – ускорение свободного падения.

Когда тело погружено в жидкость, на его поверхность со всех сторон действуют силы давления. Рассмотрим эти силы:

1. Силы, действующие на боковые поверхности тела, взаимно компенсируются, если тело имеет симметричную форму.
2. На верхнюю поверхность тела, находящуюся на глубине $h_1$, действует сила $F_1$, направленная вниз. Ее величина равна $F_1 = p_1 S_1 = \rho g h_1 S_1$, где $S_1$ - площадь верхней поверхности.
3. На нижнюю поверхность тела, находящуюся на большей глубине $h_2$, действует сила $F_2$, направленная вверх. Ее величина равна $F_2 = p_2 S_2 = \rho g h_2 S_2$, где $S_2$ - площадь нижней поверхности.

Поскольку нижняя поверхность находится глубже верхней ($h_2 > h_1$), давление на нее ($p_2$) больше, чем давление на верхнюю ($p_1$). Вследствие этого сила $F_2$, действующая на тело снизу вверх, оказывается больше силы $F_1$, действующей сверху вниз.

Разность этих сил и представляет собой выталкивающую силу $F_A$, которая всегда направлена вертикально вверх: $F_A = F_2 - F_1$.

Для тела правильной формы (например, прямоугольного параллелепипеда с площадью основания $S$) эта разность выражается как: $F_A = p_2 S - p_1 S = (\rho g h_2 - \rho g h_1) S = \rho g (h_2 - h_1) S$.

Выражение $(h_2 - h_1) S$ представляет собой объем погруженной в жидкость части тела $V_{погр}$. Таким образом, мы приходим к формуле закона Архимеда: $F_A = \rho_ж g V_{погр}$, где $\rho_ж$ — плотность жидкости, а $V_{погр}$ — объем погруженной части тела. Эта сила равна весу жидкости, вытесненной телом.

Ответ: Причиной возникновения выталкивающей силы является разница в гидростатическом давлении, которое жидкость или газ оказывает на нижнюю и верхнюю части погруженного тела. Так как давление увеличивается с глубиной, сила, действующая на нижнюю поверхность тела вверх, превосходит силу, действующую на верхнюю поверхность вниз. Эта разность сил и является выталкивающей силой.