По вертикалі вгору на кубик, занурений у рідину, діє сила, зумовлена різницею тисків на його нижню і верхню грані, — виштовхувальна сила:
Виштовхувальну силу, яка діє на тіло в рідині або в газі, називають також архімедовою силою (на честь давньогрецького вченого Архімеда, який першим звернув увагу на її існування та визначив її значення).
Архімедова сила дорівнює різниці сил тисків рідини на нижню і верхню грані кубика:
де F1 = ρрідgh1S - сила тиску рідини на верхню грань кубика; F2 = ρрідgh2S - сила тиску рідини на нижню грань кубика.
Звідси:
Різниця глибин h2 - h1, на яких перебувають нижня і верхня грані кубика, є висотою h кубика, отже,
Добуток площі S основи кубика на його висоту h — це об’єм V кубика: V = Sh, тож маємо формулу для розрахунку архімедової сили:
Тут ρрідV — це маса рідини в об’ємі кубика, тобто маса рідини, об’єм якої дорівнює об’єму кубика. Оскільки ρрідV = mрід, то
Розглянутий випадок із кубиком, який був повністю занурений у рідину. Проте отриманий результат справджується для тіла будь-якої форми і у випадках, коли тіло занурене в рідину частково, — для розрахунків лише потрібно брати об’єм зануреної в рідину частини тіла. Крім того, результат справджується й для газів.
На тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини або газу в об'ємі зануреної частини тіла:
де Fарх — архімедова сила; ρрід(газу) — густина рідини або газу; Vзан — об’єм зануреної частини тіла.
Під час проведення дослідів здається, що занурене у воду тіло «втрачає» частину своєї ваги. Але ніякої втрати ваги тіла в рідині не відбувається: вага перерозподіляється між підвісом (ниткою) і опорою (рідиною). Навіть якщо архімедова сила, що діє на тіло, є достатньою, щоб утримати це тіло, і підвіс не буде розтягнутий, то тіло все одно не перебуває в невагомості, адже воно тисне на опору — рідину.
Коли тіло плаває, його вага розподіляється на воду, що оточує всю поверхню тіла. Тому під час плавання вам здається, що ви втратили вагу. Такі комфортні умови підтримування важкого тіла зумовили те, що внаслідок еволюції наймасивніші істоти на Землі мешкають в океані.
Однак є випадки, коли вода не допомагає підняти тіло, а навпаки — заважає. Це трапляється, коли тіло лежить на дні й щільно до нього прилягає. Вода не може потрапити під нижню поверхню тіла і допомогти своїм тиском підняти його. Щоб відірвати тіло від дна, слід подолати силу тяжіння, яка діє на тіло, а також силу тиску води на верхню поверхню тіла. Слід зауважити, що зазначене явище може призвести й до трагедії: якщо підводний човен опуститься на глинисте дно і витіснить із-під себе воду, самотужки спливти він не зможе.
* Розв'язування задач на цій сторінці передбачає використання мультимедійної дошки. В підручнику розв'язування задачі на сторінці 178.
Задача. Суцільний алюмінієвий брусок масою 540 г повністю занурений у воду і не торкається дна та стінок посудини. Визначте архімедову силу, що діє на брусок.
Аналіз фізичної проблеми. Для обчислення архімедової сили потрібно знати густину води та об’єм бруска. Об’єм бруска визначимо за його масою та густиною. Густини води та алюмінію дізнаємось із таблиць густин. Задачу розв’язуватимемо в одиницях СІ.
