Меню

Шарик в трубе с водой

Архимедова сила: что это такое и как действует

Рассказываем, почему железные корабли не тонут, а воздушные шары летают, что такое «эврика» и при чём здесь Дональд Дак.

Гениальный учёный Архимед, живший в древнегреческих Сиракузах в III веке до нашей эры, прославился среди современников как создатель оборонительных машин, способных перевернуть боевой корабль. Другое его изобретение, «Архимедов винт», по сей день остаётся важнейшей деталью гигантских буровых установок и кухонных мясорубок. Мир обязан Архимеду революционными открытиями в области оптики, математики и механики.

Его личность окутана легендами, порой весьма забавными. С одной из них мы и начнём нашу статью.

«Эврика!» Открытие закона Архимеда

Однажды царь Сиракуз Гиерон II обратился к Архимеду с просьбой установить, действительно ли его корона выполнена из чистого золота, как утверждал ювелир. Правитель подозревал, что мастер прикарманил часть драгоценного металла и частично заменил его серебром.

В те времена не существовало способов определить химический состав металлического сплава. Задача поставила учёного в тупик. Размышляя над ней, он отправился в баню и лёг в ванну, до краёв наполненную водой. Когда часть воды вылилась наружу, на Архимеда снизошло озарение. Такое, что учёный голышом выскочил на улицу и закричал «Эврика!», что по-древнегречески означает «Нашёл!».

Он предположил, что вес вытесненной воды был равен весу его тела, и оказался прав. Явившись к царю, он попросил принести золотой слиток, равный по весу короне, и опустить оба предмета в наполненные до краёв резервуары с водой. Корона вытеснила больше воды, чем слиток. При одной и той же массе объём короны оказался больше, чем объём слитка, а значит, она обладала меньшей плотностью, чем золото. Выходит, царь правильно подозревал своего ювелира.

Так был открыт принцип, который теперь мы называем законом Архимеда:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела.

Эта выталкивающая сила и называется силой Архимеда.

Формула силы Архимеда

На любой объект, погружённый в воду, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, вес объекта, погружённого в воду, будет отличаться от его веса в воздухе в меньшую сторону. Разница будет равна весу вытесненной воды.

Чем больше плотность среды — тем меньше вес. Именно поэтому погрузившись в воду, мы можем легко поднять другого человека.

Выталкивающая сила зависит от трёх факторов:

  • плотности жидкости или газа (p);
  • ускорения свободного падения (g);
  • объёма погружённой части тела (V).

Сопоставив эти данные, получаем формулу:

Как действует сила Архимеда

Поскольку сила Архимеда, действующая на тело, зависит от объёма его погружённой части и плотности среды, в которой оно находится, можно рассчитать, как поведёт себя то или иное тело в определённой жидкости или газе.

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Если плотности тела и жидкости или газа равны — тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа.

Читайте также:  Труба металлическая квадратная масса

Если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа, — оно уйдёт на дно.

Сила Архимеда в жидкости: почему корабли не тонут

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет.

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган — плавательный пузырь.

На тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу.

Но чтобы поднять корабль на поверхность, необходимо уменьшить его плотность. Разумеется, воздух в получившем пробоину корпусе не удержится. Поэтому его заполняют каким-нибудь лёгким веществом, например, шариками пенополистирола.

Примечательно, что эта идея впервые пришла в голову не учёным, а авторам диснеевского комикса, в котором Дональд Дак таким образом поднимает со дна яхту Скруджа Макдака. Датский инженер Карл Кройер (Karl Krøyer), впервые применивший метод на практике, по собственному признанию вдохновлялся «Утиными историями».

Сила Архимеда в газах: почему летают дирижабли

В воздухе архимедова сила действует так же, как в жидкости. Но поскольку плотность воздуха обычно намного меньше, чем плотность окружённых им предметов, выталкивающая сила оказывается ничтожно мала.

Впрочем, есть исключения. Воздушный шарик, наполненный гелием, стремится вверх именно потому, что плотность гелия ниже, чем плотность воздуха. А если наполнить шар обычным воздухом — он упадёт на землю. Плотность воздуха в нём будет такая же, как у воздуха снаружи, но более высокая плотность резины обеспечит падение шарика.

Этот принцип используется в аэростатах — воздушные шары и дирижабли наполняют гелием или горячим воздухом (чем горячее воздух, тем ниже его плотность), чтобы подняться, и снижают концентрацию гелия (или температуру воздуха), чтобы спуститься. На них действует та же выталкивающая сила, что и на подводные лодки. Именно поэтому перемещения на аэростатах называют воздухоплаванием.

Источник

96 000 000 чёрных шариков в водохранилище Лос-Анджелеса: зачем они там?

Некоторое время назад в одно из водохранилищ Лос-Анджелеса засыпали 96 миллионов чёрных шариков, которые тут же окрестили теневыми, защищающими воду от испарения. Глядя на них, возникает много вопросов: почему они чёрные, безопасно ли пить воду, в которой они находились, действительно ли уменьшают испарение? Зачем эти шарики нужны на самом деле, давайте разбираться.

Зачем в водохранилище Лос-Анджелеса засыпали чёрные шарики

История начинается с того, что местный производитель напитков обнаружил в питьевой воде броматы (канцерогены), концентрация которых в 3 раза превышала допустимые значения. Но как они могли появиться в питьевой воде? Ведь на фильтровальной станции, откуда вода поступает потребителям, все показатели были в норме.

Читайте также:  Регистр труб с перемычкой

Концентрация броматов 3 мг на литр — это допустимо, а 30 — слишком много

В начале 2000-х годов в США вступили в силу новые правила обращения с броматами. По сути, в них было сказано, что на всех водоочистных сооружениях необходимо следить за концентрацией этих веществ, которая не должна превышать 10 мг на литр воды. А потому замеры на стадии фильтрации выполнялись регулярно.

Как в питьевой воде оказались броматы

Водохранилище, в которое впоследствии засыпали чёрные шары, находится между станцией фильтрации и потребителями. То есть после очищения вода попадает именно в него, а уже потом жителям Лос-Анджелеса.

От фильтровальной станции вода поступала к потребителю через хранилище

Поэтому решение сделать замеры в нём было вполне логичным. Но результат оказался неожиданным: уровень броматов в образцах воды из хранилища резко подскочил, многократно превысив допустимый стандарт. Причины появления канцерогенных веществ в питьевой воде оказались в совокупности событий, о которой раньше ничего не знали:

  • Вода в Лос-Анджелес поступает по акведуку за много миль. В ней присутствуют примеси солей и, в частности, бромида, наличие которого вполне естественно и безвредно.
  • Для дезинфекции в воду добавляется хлор.
  • Третий фактор — палящее солнце Лос-Анджелеса, под лучами которого находится открытый резервуар с водой.

Бромиды, от которых никто не ожидал подвоха, в соединении с хлором и под действием солнечных лучей превращаются в броматы — сильнейший канцероген.

Поиск решения

Получается, что наличие канцерогена в воде обусловлено тремя факторами, причём от двух из них отказаться не представлялось возможным:

  • бромиды практически невозможно убрать по техническим причинам;
  • а хлор просто нельзя убрать, потому что воду надо как-то дезинфицировать.

В Лос-Анджелесе бывали случаи, когда водорослей в водохранилище было так много, что из кранов в домах шла вода с зеленоватым оттенком. Она была пригодна для питья, но цвет многих настораживал. И это одна из причин необходимости использования хлора.

Поэтому единственное, что могли исправить, – убрать солнечное воздействие на воду. Рассматривались разные варианты:

    Накрыть поверхность водохранилища брезентом — это стандартное решение, но работы заняли бы несколько лет.

Идея «накрыть воду брезентом» показалась слишком сложной

Идея «батут» тоже не понравилась

Идея с трубами слишком дорогая

Пластиковая крошка — это мусор на поверхности воды

Поверхность из пластиковых шариков — наиболее подходящая идея

Почему именно теневые шарики

Применение шариков не было ноу-хау, раньше их уже использовали для защиты водоплавающих птиц на водоёмах близ аэропортов, чтобы пернатые не селились в опасных местах, не пили грязную воду, и не попадали затем в двигатели самолётов. То есть изначальная цель была отгонять птиц и другую живность от воды. Это сработало — с появлением шаров птицы исчезли. В этот раз цель была другая. Конечно, никто наперёд не знал, насколько эффективно шарики смогут защитить воду от образования в ней канцерогенов. Поэтому был проведён эксперимент:

  1. Три небольших надувных бассейна были заполнены водой из хранилища.
  2. Один из них оставили открытым под солнцем, другой накрыли брезентом, третий был с шариками.

Эксперимент провели на трёх бассейнах

Сегодня теневые шарики используют и в других местах, где есть проблема жаркого климата. А иногда придумывают что-то своё. Например, есть шестиугольники, которые в воде скрепляются вместе и выполняют те же самые функции.

Иногда для защиты воды используют пластиковые шестиугольники

Кроме защиты воды от канцерогенов, теневые шарики имеют и другие преимущества:

  • Пластиковые шарики существенно снижают испарение воды (на 80–90%), что очень важно для засушливых мест вроде Лос-Анджелеса.
  • Без солнца в воде не растут водоросли. Это позволяет значительно снизить количество используемого хлора.

Глядя на чёрные шарики, трудно догадаться, что под ними вообще есть вода

Почему шарики чёрные

Цвет шаров выбран неслучайно. Чёрный лучше других блокирует солнечный свет и предотвращает образование броматов. Шары сделаны из полиэтилена высокой плотности, по сути, пищевого пластика, который широко используется в домашнем хозяйстве, но является прозрачным. Будучи бесцветными, шары под действием солнечных лучей прослужили бы недолго. Поэтому в них добавили технический углерод, который безопасен для питьевой воды и может годами находиться на открытом воздухе под солнцем. Благодаря этому срок службы шариков составит не менее 10 лет.

Возможность использования других цветов тоже проверялась. Так, у компании-поставщика были заказаны 3 разных оттенка синего. Но пигмент в них оказался нестабильным, и гарантийный срок службы сократился до 1 года. Их использование оказалось экономически невыгодным.

Синий цвет шариков не подошёл по качественным характеристикам

Они точно безопасные?

Вопрос безопасности настолько важен, что лучше лишний раз переспросить и всё проверить. Например, что будет с шарами при нагреве под солнцем, не станут ли они токсичными? Марти Адамс, глава Департамента водоснабжения и энергетики Лос-Анджелеса, заверяет, что шары абсолютно инертны и беспокоиться не о чем. В своём интервью Дереку Мюллеру, австралийскому видеоблогеру, журналисту и телеведущему, он рассказал, что теоретически можно откусить кусочек от шара и пожевать, ничего не будет, это пищевой пластик, и он полностью безопасен.

Марти Адамс показал, что теневые шарики можно даже жевать

Видео: Дерек Мюллер на месте разбирается, зачем в водохранилище Лос-Анджелеса 96 млн шариков

Скрытая опасность теневых шариков

Своим необычным видом и выполняемыми функциями шарики вызвали живейший интерес. Нашлись желающие приобрести их для частного водоёма или бассейна. Однако шарики хороши именно для резервуаров с питьевой водой. Для других объектов они, в лучшем случае, принесут вред, а в худшем — могут привести к трагедии:

  • В водоёме, накрытом шариками, перестанут расти водоросли. А значит, исчезнет рыба.
  • Кататься на катере, пробираясь сквозь кристаллическую решётку шаров, довольно проблематично. Срок службы двигателя значительно снизится.

Шарики блокируют движение катера

Шарики утягивают человека на дно

Видео: почему нельзя плавать в «теневых шариках»

Таким образом, чёрные теневые шарики действительно защищают воду от структурных изменений под действием солнечных лучей. Однако использовать их на частных водоёмах и бассейнах не рекомендуется. Хороши они только для водохранилищ с питьевой водой.

Источник

Adblock
detector