Плавучесть – свойство погружённого в жидкость тела оставаться в равновесии, не выходя из воды и не погружаясь дальше, то есть плавать. Также называется раздел теории корабля, изучающий плавучесть. Известно, что в виброожиженном сыпучем материале тела также плавают [1]. На наш взгляд, должна существовать связь между плавучестью тела в жидкости и виброожиженном сыпучем материале, в частности взаимосвязь с законом Архимеда. Известны многие начные публикации в которых приводятся разные варианты доказательства закона Архимеда, но все они базируются на рассмотрении сил, действующих на тело со стороны жидкости [2]. Данный подход сложно использовать при рассмотрении виброожиженного сыпучего материала, поскольку на тело воздействует огромное количество отдельных движущихся частиц. Учитывая сказанное, цель настоящей работы – нахождение более общих закономерностей плавучести тела, в частности энергетических.
Методика проведения эксперимента
Последовательность проведения опытов следующая. Параллелаграмм у которого ребра были разной длины, подносили к воде, до момента касания одной из граней открытой поверхности и отпускали тело. Для каждого из вариантов проводили по 10 опытов с последующей статистической обработкой результатов.
Результаты и выводы
Теоретически, прямоугольный параллелепипед после частичного погружения в жидкость может занять три разных положения: длинные ребра вертикальны; средней длины ребра вертикальны; короткие ребра вертикальны. В процессе проведения опытов установлено, что наиболее вероятным состоянием устойчивого равновесия является то, при котором короткие ребра вертикальны, как это показано на рис. 1
Процесс частичного погружения тела в жидкость
Особо следует отметить, что для всех рассмотренных вариантов равновесия, силы действующие на тело со стороны жидкости, одинаковы. То же самое можно сказать о значениях потенциальной энергии тела, частично погруженного в жидкость, относительно любого произвольного горизонтального уровня. В то же время, работа, которую совершает тело при погружении разная, хотя вес вытесненной телом жидкости во всех вариантах одинаков [3]. На наш взгляд, в данном случае главную роль играет принцип наименьшего действия Гамильтона. Несмотря на то,что мы не рассматриваем траекторию движения тела, для достижения им конечного положения устойчивого равновесия совершается наименьшая (из трех возможных вариантов) работа по вытеснению жидкости.
Таким образом, рассматривая с энергетической точки зрения плавучесть тела, можно сказать, что тело, при частичном погружении в жидкость, занимает такое положение устойчивого равновесия, при котором работа, совершаемая телом по вытеснению жидкости, минимальна.
По всей видимости, данная закономерность будет выполняться при погружении тела в виброожиженный сыпучий материал. Учитывая неоднозначность положения тела при выполнении закона Архимеда (при использовании параллепипеда – три варианта) при исследовании плавучести тела в виброожиженном сыпучем материале, целесообразно использовать тело в форме шара.