Проектно-исследовательская работа «Архимед сказал: "Эврика!"»

Оглавление:

Введение 3

I.1. Теоретическая часть 4

I.1.1. Об Архимеде 4

I.1.2. История возникновения Закона Архимеда 5

I.1.3. Условия работы выталкивающей силы 5

I.1.4. Примеры проявления закона Архимеда в природе 6

II.2. Практическая часть 10

II.2.1. Доказательство существования архимедовской силы 11

Введение

Тема моего проекта: “Архимед и его закон”.

Цель работы:

Изучить закон Архимеда

Выяснить условия и особенности плавания тел

Проверить на опыте

Задачи:

Подобрать и изучить литературу по теме

Рассказать об истории возникновения закона Архимеда

Выяснить какими способами можно определить выталкивающую силу

Доказать существование архимедовской силы

Проверить условия плавания тел в своем опыте

Продукт:

Проектно-исследовательская работа

Презентация

II.1. Теоретическая часть

II.1.1. Об Архимеде

Великий математик и физик Архимед родился в греческом городе Сиракузы в Сицилии в 287 году до н.э. Он занимался своей деятельностью и прожил всю жизнь в этом городе. Сначала Архимед учился у своего отца. Он был астрономом и математиком. А затем некоторое время учился в Египте, в Александрии. После обучения великий математик и физик вернулся домой в Сицилию и занял место своего отца, придворного астронома.

Архимед - самый гениальный учёный Древней Греции. Он стоит в одном ряду с Ньютоном и другими величайшими математиками всех времён. Его работы многогранны. Они касались математики, физики, гидростатики, механики. Но прежде всего его работы относятся к механике. Также Архимед изобрёл устройство для подъёма воды из колодца, которое называется "Архимедовым винтом". Ему принадлежат фундаментальные теоремы о центре тяжести плоских фигур и объёмных тел. Он сформулировал законы рычага. И знаменитое открытие Архимеда - теорема о весе тела, погружённого в жидкость (закон Архимеда).

Архимед умер не своей смертью, его убили при захвате его родного города Сиракузы во время Второй Пунической войны в 212 году до н.э.

II.1.2. Закон Архимеда. История его возникновения.

Рассказ о жертвенном венце Гиерона.

Царь Гиерон поручил Архимеду проверить честность ювелира и определить, сделан венец из чистого золота или с примесями других металлов и нет ли внутри него пустот. Однажды, размышляя об этом, Архимед погрузился в ванну, и заметил, что вытесненная его телом вода пролилась через край. Гениального учёного тут же осенила яркая идея, и с криком “Эврика, эврика!” (греч. «Нашел! Нашел!»). Тот факт, что на погруженное в воду тело действует некая сила, всем хорошо известен: тяжелые тела становятся более легкими – например, наше собственное тело при погружении в ванну. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается поднять на суше; то же явление наблюдается, когда по каким-либо причинам выброшенным на берегу оказывается кит – вне водной среды животное не может передвигаться – его вес превосходит возможности его мышечной системы. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить мяч диаметром полметра скорее всего не удастся. Интуитивно ясно, что ответ на вопрос – почему тело плавает (а другое – тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело; нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые – тонут: стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать; при этом ее вес не изменится.

II.1.3. Условия работы выталкивающей силы

Поведение тела в воде зависит от силы тяжести (ее обозначают Fт) и архимедовой силы (FA ), которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

1 случай: Сила тяжести > архимедовой силы (Fт > FA ) - тело тонет

2 случай: Сила тяжести = архимедовой силы (Fт = FA ) - тело плавает в жидкости

3 случай: Сила тяжести < архимедовой силы (Fт < FA ) - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать на поверхности жидкости.

Также поведение тела, находящегося в жидкости, зависит от соотношения плотностей тела и жидкости. Следовательно, для определения поведения тела в жидкости, можно сравнить плотности тела и жидкости. В данном случае возможны также три ситуации:

ρтела > ρжидкости – тело тонет

ρтела = ρжидкости – тело плавает

ρтела < ρжидкости – тело всплывает.

Приведем примеры.

Плотность стали – 7640 – 7670 кг/м3, плотность воды – 1000 кг/м3. Значит, кусок стали будет тонуть в воде. Плотность льда – 900 кг/м3, плотность воды – 1000 кг/м3, поэтому лед в воде не тонет, а если его бросить в воду, то он начнет всплывать, и будет плавать на поверхности.

В Средиземном море, у берегов Египта, водится удивительная рыба фагак. Приближение опасности заставляет фагака быстро заглатывать воду. При этом в пищеводе рыбы происходит бурное разложение продуктов питания с выделением значительного количества газов. Газы заполняют не только действующую полость пищевода, но и имеющийся при ней слепой вырост. В результате тело фагака сильно раздувается, и, в соответствии с законом Архимеда, он быстро всплывает на поверхность водоема.
Здесь он плавает, повиснув вверх брюхом, пока выделившиеся в его организме газы не улетучатся. После этого сила тяжести опускает его на дно водоема, где он укрывается среди придонных водорослей.

Основная функция плавательного пузыря у рыбы оставаться на определённой глубине, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Когда же рыба активно опускается ниже этого уровня, тело её, испытывая большее наружное давление со стороны воды, сжимается, сдавливая плавательный пузырь. При этом вес вытесняемого объёма воды уменьшается и становится меньше веса рыбы и рыба падает вниз. Чем ниже она опускается, тем сильнее становится давление воды, тем больше сдавливается тело рыбы и тем стремительнее продолжается её падение. Наоборот, при всплытии ближе к поверхности газ в плавательном пузыре расширяется и уменьшает удельный вес рыбы, что ещё больше выталкивает рыбу к поверхности.

В Мертвом море за счет большого количества растворенных солей (более 27% по весу) плотность воды достигает 1,16 г/см3. Купаясь в этом море, человек очень мало погружается в воду, находясь как бы на поверхности, поскольку средняя плотность тела человека меньше плотности воды.

Поскольку средняя плотность тела рыб близка к плотности воды, их вес вблизи основных горизонтов жизнедеятельности достаточно хорошо уравновешивается выталкивающей силой по закону Архимеда. Благодаря ритмичной работе мышц рыба может отталкиваться от воды и таким образом перемещаться. При этом по ее телу в направлении от головы к хвосту с возрастающей амплитудой пробегает плоская или винтообразная упругая волна. Скорость распространения этой волны превышает быстроту перемещения рыбы. За счет ритмичного отталкивания от воды при распространении по телу упругой волны и осуществляется плавание рыб. К помощи плавников рыбы прибегают только для поддержания равновесия и при медленных перемещениях.

Такие обитатели морей, как осьминог, каракатица, моллюск сальпа, при перемещении используют принцип реактивного движения – они втягивают воду в специальные мускулистые мешки своего тела, а затем выталкивают ее наружу. Благодаря этому животные получают возможность перемещаться в направлении, противоположном выбрасываемой струе. А веслоногие, например черепахи, плавают, отталкиваясь от воды ногами.

Мелкие рыбы обычно движутся стаями. К этому их принуждает то обстоятельство, что при увеличении скорости движения близко расположенных тел по закону Бернулли понижается давление в пространстве между ними. Давление между каждыми двумя соседними рыбами в рыбьем косяке будет меньше, чем в среде, не возмущенной движением рыбьей стаи. В этом случае рыбы будут испытывать небольшую прижимающую их друг к другу силу и двигаться вместе. Если бы рыбы в косяке не подчинялись действию гидродинамических сил, они затрачивали бы больше энергии для своего перемещения.

Произрастающий в дельте Волги вблизи Астрахани чилим (водяной орех) после цветения дает под водой тяжелые плоды. Эти плоды настолько тяжелы, что вполне могут увлечь на дно все растение. Однако в это время у чилима, растущего в глубокой воде, на черешках листьев возникают вздутия, придающие ему необходимую подъемную силу, и он не тонет.

Известный русский адмирал М.П. Лазарев неоднократно показывал матросам во время плаваний следующий любопытный опыт с бутылкой. С помощью свинцового груза порожнюю закупоренную бутылку матросы опускали под воду на глубину до 430 м. После ее подъема на палубу они с удивлением убеждались, что бутылка заполнена глубинной водой и плотно закрыта пробкой, причем верх и низ пробки поменялись местами. Это происходило за счет давления воды, которое, в соответствии с законами гидродинамики, на глубине 430 м имеет вполне достаточную для этого величину. Опыт Лазарева представляет собой яркую демонстрацию действия давления воды на больших глубинах. Это позволяет лучше понять действие давления воды и на человеческий организм.

Искусно используют закон Архимеда подводники. Если подводная лодка плывет между слоями воды с разной температурой, ее балласт подбирают таким образом, чтобы обеспечить небольшую перегрузку для теплого слоя и недогрузку для холодного. В этом случае лодка лежит на холодном слое, не нуждаясь в специальных мерах для поддержания равновесия. Для батискафа с небольшой отрицательной плавучестью слой более плотной воды может играть роль уравновешивающего «жидкого грунта».

При переходе подводной лодки из морских глубин в устье реки, подводники тщательно следят за расстоянием между лодкой и дном, так как в пресной воде выталкивающая сила Архимеда меньше, чем в морской, и при недосмотре со стороны экипажа лодка может сесть на илистый грунт речного устья.

Очень большое значение закон Архимеда имеет в технике бурения. Буровая колонна для бурения глубоких скважин уже на глубине 5 км в воздухе имела бы вес 226 тонн. Однако в промывочной жидкости плотностью 2 г/см3 в соответствии с законом Архимеда вес буровой колонны будет сильно уменьшен. Алюминиевые трубы «теряют» в весе в этих условиях до 50%. Подбором промывочной жидкости можно намного уменьшить вес буровой колонны. Это в огромной степени способствует успеху бурения.

Используя законы гидростатики, человек все полнее познает условия жизни в водной среде и все больше подчиняет водную стихию своей власти.

II.2. Практическая часть

II.2.1. Доказательство существования архимедовской силы

Список литературы:

Природа и мы: Закон Архимеда в природе (prirodaimq.blogspot.com)

Примеры проявления закона Архиме (narod.ru)