2.9 Закон Архимеда и его приложение
Более сложным является случай, когда плоская площадка произвольно ориентирована в жидкости. В этом случае, сила полного гидростатического давления на поверхность равна произведению полного гидростатического давления в центре тяжести рассматриваемой площадки и площади самой площадки.
Рассмотрим три циркулирующих тела весом G1, G2, G3 и сечением S. Рассмотрим силы, действующие на эти тела со стороны жидкости. например, второе тело. Силы действующие на боковые поверхности уравновешиваются, а на нижнюю и верхнюю площадки действуют разные силы, равнодействующая которых:
,
где V – объем погруженного в жидкость тела.
Это уравнение известно как закон Архимеда: на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости.
Сила P2 называется архимедовой силой.
В зависимости от соотношения веса G тела и архимедовой силы Р2 возможны три случая:
1) G > Р2 — тело тонет;
2) G < Р2 — тело всплывает и плавает на поверхности жидкости в частично погруженном состоянии;
3) G = Р2 — тело плавает.
Тело, погруженное (полностью или частично) в жидкость, испытывает со стороны жидкости суммарное давление, направленное снизу вверх и равное весу жидкости в объеме погруженной части тела.
Pвыт = ρжgVпогр
Для однородного тела плавающего на поверхности справедливо соотношение
где: V - объем плавающего тела; ρm - плотность тела.
Существующая теория плавающего тела довольно обширна, поэтому мы ограничимся рассмотрением лишь гидравлической сущности этой теории.
Способность плавающего тела, выведенного из состояния равновесия, вновь возвращаться в это состояние называется устойчивостью. Вес жидкости, взятой в объеме погруженной части судна называют водоизмещением, а точку приложения равнодействующей давления (т.е. центр давления) - центром водоизмещения. При нормальном положении судна центр тяжести С и центр водоизмещения d лежат на одной вертикальной прямой O'-O", представляющей ось симметрии судна и называемой осью плавания (рис.20).
Пусть под влиянием внешних сил судно наклонилось на некоторый угол α, часть судна KLM вышла из жидкости, а часть K'L'M', наоборот, погрузилось в нее. При этом получили новое положении центра водоизмещения d'. Приложим к точке d' подъемную силу R и линию ее действия продолжим до пересечения с осью симметрии O'-O". Полученная точка m называется метацентром, а отрезок mC = h называется метацентрической высотой. Будем считать h положительным, если точка m лежит выше точки C, и отрицательным - в противном случае.
Рис. 20. Поперечный профиль судна
Теперь рассмотрим условия равновесия судна:
1) если h > 0, то судно возвращается в первоначальное положение;
2) если h = 0, то это случай безразличного равновесия;
3) если h<0, то это случай неостойчивого равновесия, при котором продолжается дальнейшее опрокидывание судна.
Следовательно, чем ниже расположен центр тяжести и, чем больше метацентрическая высота, тем больше будет остойчивость судна.