Люди давно обратили внимание на то, что предметы из разных материалов ведут себя в воде по-разному. Например, деревянные щепки плавают в воде, а вот камни и металлические монеты в ней тонут. Почему же тогда в воде не тонут современные корабли, корпуса которых изготовлены из металла?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо более детально ознакомиться со свойствами воды. Еще в глубокой древности, в III веке до нашей эры, древнегреческий ученый Архимед открыл закон природы, согласно которому вода (или любая другая жидкость) стремится вытолкнуть любой предмет на поверхность. Сила, с которой вода выталкивает предмет, так и называется – сила Архимеда. Эта сила тем больше выталкивает предмет, чем больше его объем.
Но при этом на любой предмет еще действует сила тяжести, которая притягивает его к центру нашей планеты. Когда сила Архимеда стремится вытолкнуть из воды деревянную щепку, она преодолевает силу тяжести. Но в случае с камнем и металлом силы Архимеда оказывается недостаточно, и сила тяжести топит камень и металл.
Сила тяжести, согласно законам физики, напрямую зависит от массы предмета. Чем больше масса предмета, тем сильнее он притягивается к поверхности планеты. И наоборот, чем меньше масса предмета, тем меньше сила его притяжения к Земле.
Для дальнейших пояснений важно знать, что в науке физике существует такое понятие, как плотность материала. Плотность – это отношение массы предмета к его объему. Чем выше масса при неизменном объеме, тем выше плотность. И наоборот, чем больше объем при неизменной массе, тем меньше плотность предмета.
Согласно закону Архимеда, выталкивающая сила воды тогда преобладает над силой тяжести, когда плотность предмета меньше плотности воды. Например, плотность сухого дерева меньше плотности воды, поэтому деревянная щепка и не тонет в воде, сила Архимеда выталкивает ее на поверхность. А плотность металла выше плотности воды, поэтому он тонет под действием силы тяжести.
Но почему же тогда не тонет корабль, изготовленный из металла? Секрет прост – корабль изготавливается так, чтобы отношение всей массы корабля к его суммарному объему, то есть плотность корабля, оказалась меньше плотности воды. Тогда сила Архимеда сможет удерживать корабль на поверхности воды.
Можно провести простой эксперимент, поясняющий принцип плавучести корабля. Возьмите пустую металлическую кастрюлю, и опустите ее в ванну с водой. Кастрюля будет плавать, потому что отношение ее массы к объему, то есть плотность, меньше плотности воды. А вот если наполнить плавающую кастрюлю водой, то есть заместить водой находящийся в кастрюле воздух, кастрюля тут же утонет, поскольку ее плотность превысит плотность воды.
Закон Архимеда описывает еще одну весьма интересную особенность выталкивающей силы – чем выше плотность самой жидкости, тем сильнее выталкивающая сила. Известно, что плотность морской воды выше, чем плотность речной или озерной воды за счет того, что морская вода соленая. Для тех, кто любит купаться, это означает, что плавать в морской воде гораздо легче, чем в речной или озерной воде. Особенно сильно этот эффект проявляется в водах Мертвого моря, которое находится на границе Израиля и Иордании. Концентрация соли в Мертвом море в десять раз выше, чем в Средиземном море. Поэтому на поверхности воды Мертвого моря можно просто лежать и читать при этом книгу!