Номер 15, страница 176 - гдз по физике 9 класс учебник Шахмаев, Бунчук

Глава 9. Гидро- и аэростатика. Параграф 37. Закон Архимеда и его применение - номер 15, страница 176.

Условие.

15. Посмотрите внимательно на рисунок 144: нижнюю часть оболочки воздушного шара оставляют открытой. Поскольку легкий газ, заполняющий шар, не выходит из отверстия, значит, его давление в отверстии равно давлению атмосферного воздуха. Как же возникает архимедова сила, действующая на шар в полете?

Решение.

Решение

Архимедова (выталкивающая) сила возникает не из-за свойств газа внутри объекта, а из-за свойств окружающей его среды. В данном случае средой является атмосфера.

1. Давление в атмосфере не одинаково и уменьшается с увеличением высоты. Это означает, что давление воздуха у подножия воздушного шара всегда немного больше, чем давление воздуха на его вершине.

2. Окружающий воздух давит на всю внешнюю поверхность оболочки шара. Силы давления всегда направлены перпендикулярно поверхности.

3. Из-за разницы в давлении сила, с которой атмосфера давит на нижнюю часть оболочки (и стремится поднять ее вверх), больше, чем сила, с которой атмосфера давит на верхнюю часть оболочки (и стремится опустить ее вниз).

4. Сумма (равнодействующая) всех этих сил давления, действующих со стороны атмосферы на оболочку шара, и представляет собой направленную вверх выталкивающую силу, или силу Архимеда.

Тот факт, что в нижнем отверстии давление горячего воздуха равно давлению окружающего воздуха на той же высоте, лишь обеспечивает статическое равновесие на границе и предотвращает вытекание горячего воздуха. Это локальное равенство давлений не отменяет глобальной разницы давлений, действующей на всю оболочку шара по всей ее высоте, которая и является причиной возникновения архимедовой силы.

Величина этой силы, согласно закону Архимеда, равна весу воздуха в объеме, занимаемом шаром: $F_A = \rho_{возд} \cdot g \cdot V_{шара}$. Поскольку горячий воздух внутри шара имеет меньшую плотность (и, следовательно, меньший вес), чем тот же объем холодного окружающего воздуха, выталкивающая сила оказывается больше силы тяжести горячего воздуха, что и позволяет шару подниматься.

Ответ: Архимедова сила возникает из-за разности давлений в окружающем атмосферном воздухе на разных высотах. Сила давления атмосферы, действующая на нижние части оболочки шара, больше, чем сила давления, действующая на верхние части. Равнодействующая этих сил давления направлена вверх и является выталкивающей (архимедовой) силой.