Вuштовхувальна сила. Закон Архімеда
Коли  взаємодіють тверді нерухомі тіла, діючи одне на одне, вони лише деформуються. І дія кожного з цих тіл на інше характеризується силою.

Як взаємодіє тверде тіло з рідиною
 Якщо ж тверде тіло взаємодіє з рідиною, то воно проникає в рідину. Що відбувається в такому випадку? Відповідь на це запитання можна отримати з досліду.
До гумової нитки підвісимо важок і виміряємо довжину нитки, яка розтягується вагою важка. Якщо ж важок після цього зануримо у воду, то стане помітним скорочення нитки. Отже, вага тіла в рідині стала меншою. Це можливо тільки тому, що в рідині на занурене тіло діє виштовхувальна сила. Напрям цієї сили завжди протилежний до напряму сили тяжіння.
Як розрахувати значення
виштовху вальної сили
Досліди показують, що значення виштовхувальної сили залежить як від характеристик зануреного тіла, так і від властивостей рідини.
 

Дослід, що підтверджує закон Архімеда
 Візьмемо металеві циліндр і склянку, місткість якої дорівнює об'єму циліндра. Підвісимо їх разом до гачка динамометра і визначимо вагу циліндра і склянки (мал. 110). Тепер повністю зануримо циліндр у воду. Динамометр покаже зменшення ваги. Але якщо в склянку вщерть налити води, то покази динамометра відновляться. Отже, виштовхувальна сила дорівнює вазі води, об'єм якої дорівнює об'єму тіла. Якщо воду замінити насиченим розчином солі у воді, то виштовхувальна сила буде більшою, оскільки буде більшою вага рідини, об'єм якої дорівнює об'єму тіла.
Якщо врахувати, що вага рідини Р — gm - ppgVт, то для розрахунку виштовхувальної сили можна застосовувати формулу.
 
Тут F - виштовхувальна сила; pp - густина рідини; Vт -об'єм зануреного в рідину тіла або його частини.
Залежність, виражена формулою для виштовхувальної сили, називається законом Архімеда, а сама виштовхувальна сила - силою Архімеда.

Від чого залежить сила Архімеда
Ha тіло, занурене в рідину, діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини в об'ємі зануреного тіла або його частини.
Чому ж діє сила Архімеда в рідині? Уявімо собі, що в рідину занурене тіло у вигляді прямокутного бруска (мал. 111). Внаслідок дії сили тяжіння в рідині існує тиск, який за законом Паскаля діє в усіх напрямах. У зв'язку з цим на верхню грань бруска діятиме сила Fj = р я/іjS, яка спрямована вниз.
 
На нижню грань діятиме сила F2   =   pтgh2S,   спрямована   вгору. Оскільки F2 > Лj, то і F2 > Fv Рівнодійна цих сил напрямлена вгору. Це і буде сила Архімеда.
Сила Архімеда діє і в газах. Адже в них також тиск змінюється з висотою.
Остаточно закон Архімеда можна сформулювати так: на тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини або газу в об'ємі цього тіла.
У газах сила Архімеда значно менша.
Умови плавання тіл    

Згідно із законом Архімеда, на всі тіла, занурені в рідину, діють виштовхувальні сили, значення яких залежать від об'ємів цих тіл і густини рідини. Отже,  однакові об'єми, то і виштовхувальні сили, які діятимуть на них у даній рідині, будуть однаковими. Чому ж тоді одні тіла тонуть у рідині, а інші спливають?

Чому тіла плавають або тонуть
Для прикладу візьмемо дві кульки однакового об'єму, але одну металеву, а другу - дерев'яну. Зважування їх на терезах покаже, що вага дерев'яної кульки менша, ніж вага металевої. Спливання дерев'яної кульки, зануреної у рідину, показує, що рівнодійна сили тяжіння і сили Архімеда напрямлена вгору, в напрямі дії сили Архімеда. Отже, в цьому випадку сила Архімеда більша за силу тяжіння.
У випадку з металевою кулькою рівнодійна напрямлена вниз. Тобто сила тяжіння більша за силу Архімеда.
 
За рівності сил Архімеда і тяжіння, що діють на занурене в рідину тіло, рівнодійна дорівнюватиме нулю (мал. 114). Отже, в цьому випадку занурене в рідину тіло буде знаходитися в рівновазі в будь-якій точці рідини.
Проте виміряти силу тяжіння чи силу Архімеда незавжди можна, або це незручно. А тому і передбачити поведінку тіла в рідині незавжди можна. Щоб знайти вихід із положення, виконаємо розрахунки.
 
Коли тіла тонуть у рідині
На кожне тіло, що міститься в рідині, діють дві сили:  сила Архімеда FA = ppgVT і сила тяжіння FTnx = pTgVT. Для випадку, коли тіло тоне в даній рідині:
 
Рр < Рт

Тіло тоне, якщо його середня густина більша, ніж густина рідини.
 
Коли тіло не спливає і не тоне
Подібним чином досягається здатність різних суден плавати на поверхні води. Вага води, витісненої підводною частиною судна, дорівнює вазі самого судна. Очевидно, що чим більша вага даного судна, тим більша глибина його занурення у воду.
Коли тіла спливають у рідині Якщо тіло спливає.
Тіло спливає, якщо його середня густина менша за густину рідини.
Налита у склянку олія спливає на поверхню води, оскільки густина олії менша за густину води. Щоб переконатися в цьому, варто поглянути в таблицю густин.
 
Гідростатичне зважування
На цьому принципі базується метод так званого гідростатичного зважування. Якщо в мензурку опустити дерев'яний брусок, то він буде плавати, але рівень води підніметься. Об'єм цієї води дорівнює об'єму зануреної частини бруска, а її вага - вазі бруска. Знаючи об'єм і густину води, можна розрахувати вагу води, а разом з цим і вагу тіла. Для випадку тіл, які важчі за воду, виготовляють спеціальний поплавок, який дає змогу тілу плавати на поверхні.

 
Плавання суден
Людина здавна мріяла про подолання водних просторів. Спочатку вона пристосувала для цього дерев'яні колоди, плоти, а потім почала будувати дерев'яні човни і кораблі.
Для виготовлення сучасних суден використовують різні метали. З металу виготовляється корпус судна, його конструктивні елементи. Разом з тим судно має великий об'єм, не заповнений металом. Тому його середня густина менша за густину води.

Коли нижня частина судна занурюється у воду, виникає сила Архімеда, яка дорівнює вазі витісненої води. За умовами плавання ця сила завжди дорівнює вазі судна. Якщо ж судно навантажують, то його вага збільшується і воно починає занурюватися у воду. Чим глибше занурюється судно, тим більшою стає сила Архімеда. Коли вона дорівнюватиме вазі судна, останнє перестане занурюватися. Глибину, на яку занурюється судно у воду, називають осадкою судна.
Осадка судна залежить від його ваги і маси вантажу, який знаходиться на судні. Збільшення маси вантажу приводить до збільшення осадки. Осадка зменшується, коли судно переходить із річки в море, де густина води становить 1030 кг/м3.

Осадка може змінюватися лише в певних межах, коли судно ще тримається на поверхні води. Щоб контролювати осадку судна, на його борт наносять горизонтальну лінію, яка отримала назву ватерлінія (від голландських слів water - вода та lijn - лінія) (мал. 117). Значення сили Архімеда, коли судно занурилося по ватерлінію, називають водотоннажністю.
Чисельно водотоннажність дорівнює силі тяжіння, яка діє на судно з вантажем. Найбільшу водотоннажність мають сучасні танкери. Вона сягає 5 • 106 кН і більше. Разом із вантажем ці судна мають масу 500 000 τ і більше.
Якщо від водотоннажності відняти вагу судна, то отримаємо вагу вантажу, який може перевозити це судно. Це - вантажопідйомність судна.
 
Водний транспорт дуже зручний і вигідний. Перевезення вантажів водним транспортом значно дешевше, ніж іншими видами транспорту. Тому для подальшого його розвитку потрібно створювати досконаліші судна і водночас дбати про стан водних артерій країни, яким дуже шкодять промислові викиди та забруднення (відходи) із суден.

Україна має розвинений річковий і морський флот. Найбільшою судноплавною річкою України є Дніпро, фарватером якого плавають навіть судна типу «річка - море», які виходять із річки в море не перевантажуючи вантажів.

 
Повітроплавання
 Багато хто мав нагоду спостерігати, як мильні бульбашки, наповнені теплим повітрям, спливають угору і тривалий час плавають у повітрі.
 
Підвісивши скляну колбу на одній із шальок рівноплечих терезів, можна зрозуміти причини плавання мильних бульбашок, гумових кульок. Для цього потрібно колбу спочатку зрівноважити важками, а потім під шийку колби ввести запалену спиртівку. Гаряче повітря буде заходити в колбу і рівновага терезів порушиться. Якщо врахувати, що колба наповнюється теплим повітрям, густина якого менша за густину холодного повітря, то можна зробити висновок, що вага колби зменшується, а виштовхувальна сила повітря залишається сталою. Згідно з умовами плавання, кулька піднімається вгору до певної висоти, коли газ у ній
охолоне, а тиск атмосферного повітря зменшиться внаслідок збільшення висоти над поверхнею Землі.
Описане явище використовується для виготовлення апаратів, які можуть плавати в повітрі і перевозити певні вантажі. Уперше таку кулю виготовили у Франції в 1783 р. брати Монгольф'є. Оболонку кулі вони виготовили з цупкого паперу, а внутрішню порожнину заповнили гарячим повітрям.

Пізніше кулі стали виготовляти з гуми і наповнювати воднем або гелієм. Густина цих газів менша за густину повітря, що схоже на гаряче повітря в кулі Монгольф'є.
Повітряна куля, наповнена воднем, гелієм чи гарячим повітрям, може не лише сама піднятися в повітря, а й підняти певний вантаж. Масу цього вантажу можна вирахувати на основі закону Архімеда і умов плавання тіл.
Нехай куля, наповнена гелієм, має об'єм V - 100 м3. Маса гелію, яким наповнена куля, дорівнює
Згідно із законом Архімеда, ця сила дорівнює виштовхуваль-ній силі повітря.
Отже, така куля може підняти в повітря вантаж вагою 1274 Η - 176,4 Η = 1097,6 Η. Цю вагу називають підіймальною силою кулі.
Для зручності розрахунків користуються таким поняттям, як підіймальна сила 1 м3 газу. Так, відповідно до проведених вище розрахунків, підіймальна сила 1 м3 гелію становить
= 1097,6 Η         
  
Поведінка аеростата, як часто називають повітряну кулю, відрізняється від поведінки зануреного в рідину тіла, густина якого менша за густину рідини. Якщо в рідині тіло спливає аж на поверхню, до межі рідини, то аеростат підіймається лише на певну висоту. Густина повітря зі збільшенням висоти поступово зменшується. Через це зменшується й сила Архімеда. Тільки-но сила Архімеда зрівняється з вагою аеростата, піднімання припиниться. Для подальшого піднімання можна зменшити вагу аеростата, скинувши з нього баласт - вантаж, який заздалегідь завантажений у нього. Можливе також підігрівання газу, внаслідок чого збільшується об'єм кулі і зменшується густина газу в ній. Це збільшує підіймальну силу кулі.

 Аеростат не може самостійно переміщуватися в горизонтальному напрямі. Він рухається тільки під дією вітру, а пілот лише керує висотою підйому апарата.
На початку XX ст., коли авіація ще робила перші кроки, значного поширення набули дирижаблі. Це літальні апарати, легші за повітря, як і повітряні кулі. їхня сигароподібна оболонка наповнювалася воднем або гелієм. Обладнані двигунами і повітряними гвинтами, дирижаблі могли перевозити пасажирів на значні відстані незалежно від напряму вітру. І лише успішний розвиток авіації зменшив роль повітроплавання.
У наш час повітряні кулі невеликих розмірів використовують для дослідження верхніх шарів атмосфери. Кулі-зонди, що на відміну від ракет не забруднюють повітря, доставляють на велику висоту спеціальну апаратуру, яка за допомогою радіопередавача передає на Землю результати вимірювань. Повітряні кулі, наповнені теплим повітрям, служать спортсменам-аматорам.

Головне в розділі 2
 
•    Будь-яка зміна положення тіла в просторі називається механічним рухом. Характер цього руху визначається вибором
тіла відліку.
•    Тіло, що перебуває в механічному русі, описує траєкторію, проходить певний шлях і має швидкість.
•    Механічний рух може бути рівномірним і нерівномірним, прямолінійним і криволінійним.
•    Дія одного тіла на інше характеризується силою. Сила змінює швидкість тіла.
•    Вага є проявом дії сили тяжіння.
•    Для всіх фізичних тіл властива інертність, яка проявляється в поступовій зміні їх швидкості в часі при дії певної сили.
•    Інертні властивості тіла характеризує маса.
•    Для зміни сили застосовують прості механізми: важелі, блоки, похилу площину, гвинт, гідравлічну машину.
•    Тиск визначає дію сили тиску на одиницю поверхні.
•    Тиск у газі діє внаслідок хаотичного руху молекул.
•    Тиск у рідинах і газах передається в усіх напрямах однаково.
•    У рідині тиск створюється переважно внаслідок дії сили
тяжіння.
•    Атмосферний тиск є наслідком руху молекул повітря та дії на них сили тяжіння.
•    Виштовхувальна сила виникає внаслідок існування вагового тиску в рідині чи газі.
•    Сила Архімеда дорівнює вазі рідини чи газу в об'ємі даного тіла.