XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Реакция силы Архимеда – вновь открытая сила и её значение для науки и техники
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Уже более 2300 лет известен закон Архимеда о выталкивающей силе жидкости, но до сих пор возникают сомнения о легитимности его применения в отдельных случаях, например, к телу, плотно прижатому к дну сосуда (водоёма).
Причиной этих сомнений, полагают авторы, стало то, что до сих пор нет правильного математического описания закона Архимеда. Принятая учеными формула определения величины выталкивающей силы Архимеда, РА = ρgV, не описывает действие других сил в системе «сосуд – жидкость – тело». Авторами данной работы установлена новая, неизвестная ранее из уровня техники сила [3,5, 8], благодаря которой удалось составить уравнение сил, действующих на тело в жидкости как лежащее на дне сосуда (водоёма), так и плавающее. Новая сила – это реакция силы Архимеда RА, рис.1.
Рис.1. Новая схема сил, действующих на тело в жидкости.
где: 1 – условная, абсолютно жесткая (не деформируемая) горизонтальная плоскость, равная площади всего дна сосуда (водоёма); 2 - силы, равномерно распределенные по всей поверхности дна сосуда (водоёма), возникающие от давления реакции силы Архимеда RА на условную плоскость.
Уравнение сил: Рж + G – RДЖ – РА + RА – RG = 0;
При RДЖ PЖ =0, будет G + RА = РА +RG; или : RА =РА +RG G;
где: РА - сила Архимеда; RА - реакция силы Архимеда; RG – реакция дна сосуда на действие силы тяжести тела; G – сила тяжести тела; РЖ - сила тяжести жидкости в сосуде; RДЖ - реакция дна на силу тяжести жидкости в сосуде.
Целью данной работы является:
1. Доказать ошибочность утверждения некоторых учёных об увеличении веса жидкости (воды) при погружении в неё инородного тела;
2. Найти способ прямого измерения величины вновь открытой силы – реакции силы Архимеда, и подтвердить его экспериментами;
3. Разработать способ прямого измерения величины сил, действующих на тело в жидкости, а также измерение силы давления тела, лежащего на дне сосуда, в точке их соприкосновения.
Основная часть:
1. О справедливости утверждения некоторых учёных, что при погружении в жидкость сосуда твёрдого тела, вес её увеличится.
Занимаясь исследованиями силового взаимодействия жидкости и тела, погруженного в сосуд (водоём) с жидкостью, авторы данной работы заметили действие не известной ранее из физики силы, которую назвали «Реакция силы Архимеда». Затем в соавторстве Осиповым Н.Е., Осиповым А.Н., Тимохиным А.А., Осиповым М.А., Тимохиной И.Н. была подана заявка на выдачу патента на изобретение «Способ измерения выталкивающей силы Архимеда» (заявка №2016126531/28), которая была опубликована в бюл. № 2 от 15.01.2016г. но в выдаче патента было отказано. В отказном решении сказано, что «Исследуя уровень патентоспособности предлагаемого авторами изобретения, экспертиза усмотрела отсутствие новизны», ссылаясь на учебник Е.Н. Филатова «Физика»,7-е издание, М.:ВШМФ «Авангард», стр.121-122 (раздел «Изменится ли вес воды в стакане»), где утверждается, что «при погружении тела в воду, вес воды увеличивается». На возражение авторов, что это противоречит законам физики, так как масса воды не изменяется и вес воды также остаётся постоянным, экспертиза мотивировала отказ таким образом:
«Однако утверждение заявителя о том, что вес воды не изменится, априори неверно. Масса воды в стакане действительно останется неизменной, а ее вес увеличится. В отличие от массы вес, не определяется одним только объемом и плотностью вещества, он также зависит от того, в каком состоянии находится контролируемый объект».
Кроме этого экспертиза указала, что «недопустимо при описании формулы изобретения использовать термин «реакция силы Архимеда» как не научный, не известный ранее из уровня техники. Да, это правда. Этот термин новый и является, как полагают авторы, элементом открытия новой, ранее не известной из уровня техники силы – реакции силы Архимеда. Применение этой вновь открытой силы в теории и на практике позволяет получать фантастические положительные результаты, например:
- самый простой и точный способ измерения выталкивающей силы Архимеда» (заявка на выдачу патента № 2016126531/28);
- самый простой и точный «Универсальный прецизионный плотномер жидких сред», получен патент № 2663551 от 07.08.2018г;
- быстрое и точное определение ПРОБЫ благородных металлов (заявка на выдачу патента № 2016126528/32);
- быстрое и точное определение объёма тел любой формы и размеров, а также плотности материала этих тел;
- прямое измерение силы давления тела (веса тела), лежащего на дне сосуда с жидкостью, в точке их соприкосновения;
-измерение на электронных весах массы плавающих тел любой величины (кораблей и др.) и многое другое.
Самое же главное значение признания наукой новой силы – реакции силы Архимеда, это возможность полной легитимности закона Архимеда в гравитационном поле Земли без всяких «ЕСЛИ». При этом упростится процесс расчетов сил в пневмо- гидростатике и решение задач по физике в учебных заведениях, так как не нужно будет гадать учащимся и педагогам о применении или не применении закона Архимеда в решении задач, когда тело погружено в жидкость или находится в воздухе. То есть, помещено в «пневмо – гидростатическое поле», где на любое тело всегда действует закон Архимеда.
Проанализируем ошибочность утверждения некоторых учёных об «увеличении веса жидкости» при погружении в неё твёрдого тела. Рассмотрим пять положений тела (гири 50г) в сосуде с водой, установленным на чаше точных электронных весов. На рисунках указаны все силы, действующие как на тело в сосуде с водой, так и на дно сосуда (на чашу весов), рис.2.
На рис.2а., рис.4а. видно, что на чаше весов установлено тело (гиря весом GT = 50г) и сосуд с водой весом Gсв = 60г. Высота столба воды в сосуде равна Н. Общий вес Rвес = GT+ Gсв = 110,10г;
На рис.2б, рис.4б. видно, что на чаше весов установлен сосуд с водой весом Gсв и гиря весом GT, плотно прижатая (приклеенная) к дну сосуда без подтекания воды под гирю. Высота столба воды в сосуде увеличилась на величину h и стала равна Н + h.
Общий вес: Rвес = GT+ Gсв – PA+ RA= GT+ Gсв; где: PA+ RA = 0,
то есть, сила Архимеда PA направлена вверх, а реакция силы Архимеда RAдействует вниз в направлении силы тяжести. Так как обе силы приложены к одной и той же точке дна сосуда, то равнодействующая их равна нулю. Как видно, увеличение столба жидкости в сосуде на величину h не изменило вес жидкости, так как масса воды не изменилась. Вес воды в сосуде Gсв = mg = constant.Rвес = GT+ Gсв = 110, 10г., рис.4б.
Рис. 2. Взаимодействие сил при погружении тела в сосуд с жидкостью, установленный на весах: а) тело и сосуд с водой стоят отдельно на чаше весов; б) тело плотно прижато (приклеено) к дну сосуда с водой; в) тело стоит на проволочках на дне сосуда и вода проникает под днище тела; г) тело висит на нити, привязанной к невесомой пластине, опирающейся на стенки сосуда; д) тело подвешено на штативе, установленном на чаше весов N 2, а сосуд с водой на чаще весов N 1..
На рис.2в, рис.4в. видно, что на чаше весов установлен сосуд с водой весомGсв и гиря весом GT, установленная на проволочки для подтекания воды под гирю. Высота столба воды в сосуде увеличилась на величину h и стала равна Н + h. Rвес = GT+ Gсв = 110, 475г., рис.4б.
Общий вес: Rвес = GT+ Gсв – PA+ RA= GT+ Gсв, где: PA+ RA = 0, то есть, все силы на гирю здесь действуют так же, как и на рис.2б., подчеркивая то, что подтекание жидкости под гирю или неподтекание, никакого значения не имеет. Это ещё раз указывает на то, что величина силы Архимеда зависит только лишь от веса замещённой объёмом погруженного тела жидкости и равна PA= ρgV, где V – объём погруженного тела.
На рис.2г., рис.4г. видно, что на чаше весов установлен сосуд с водой весом Gсв, а гиря весом GT висит в воде сосуда на нити, привязанной к невесомой пластине, опирающейся на верхние края сосуда. Интересно, что вес гири на чашу весов передаётся в этом случае через натяжение нити ТН, величина которой: ТН = GT – PA;
Тогда получается, что общий вес сосуда с водой и висящей гирей в воде на нити должен быть равен величине R1вес. < Rвес;
R1вес = GT– PA+ Gсв < Rвес = GT+ Gсв;
Однако же, как показывают эксперименты, общий вес сосуда с водой и гирей, рис.2а, рис.2б, рис.2в и рис.2г остаётся один и тот же, то есть,
Rвес = GT+ Gсв;
Из этого можно сделать вывод, что в сосуде рис.2г., действует ещё одна сила, противодействующая выталкивающей силе Архимеда РА. Это вновь открытая авторами данной работы неизвестная ранее из уровня техники сила – реакция силы Архимеда RA, рис.1, рис.2. Учитывая действие этой силы в сосуде с водой и телом [3], получим следующее выражение:
R1вес = GT– PA+ RA + Gсв = Rвес = GT+ Gсв;
Так как PA+ RA = 0, значит R1вес = GT+ Gсв = Rвес = 110,30г., рис.4г.
Следует заметить, что такое же объяснение действия реакции силы Архимеда относится и к рис.2б, и к рис.2в., так как на тело (гирю) действуют обе силы (сила Архимеда и реакция силы Архимеда). Разница лишь в том, что и сила Архимеда, и реакция силы Архимеда приложены здесь к одной и той же точке дна сосуда, на которую опирается и сама гиря. Соответственно, результирующая указанных сил будет равна нулю, поэтому в формуле Rвес = GT+ Gсв эти силы не указаны.
Таким образом, никакого увеличения веса жидкости (воды) не происходит при погружении тела в сосуд, а действует пара сил – сила Архимеда и реакция силы Архимеда. В соответствии с законами механики, законами Ньютона, чтобы возникла активная выталкивающая сила Архимеда, направленная вверх, обязательно должна возникнуть реактивная сила – реакция силы Архимеда, описанная авторами в работе «Вновь открытая сила и новая формулировка закона Архимеда»[3].
Чтобы не только теоретически, но и наглядно экспериментально подтвердить справедливость выше изложенного, авторами предложен инновационный способ прямого измерения любой силы, действующей на погруженное в жидкость тело и на сам сосуд, изложенный ниже.
2. Инновационный способ прямого измерения сил, действующих в сосуде с жидкостью как на плавающее, так и на лежащее на дне сосуда тело.
Известно, что не существует сегодня какого - либо способа прямого измерения величины давления тела на дно сосуда с жидкостью в точке их соприкосновения, что не позволяет учёным сделать верные, научно обоснованные выводы о действии выталкивающей силы Архимеда на тело, лежащее на дне сосуда с жидкостью (плотно прижатое ко дну сосуда). В научных источниках на сегодня лишь в примечаниях указывается, что на тела, плотно прижатые ко дну сосуда (без подтекания жидкости под дно тела), выталкивающая сила жидкости не действует.[1,2]. .Однако же экспериментального подтверждения этому явлению пока нет. Решение этой задачи позволило бы дать важный для науки однозначный ответ на вопрос о действии силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну (лежащее на дне) сосуда. Из механики следует, что сила, с которой тело давит на подставку (чашу весов), равна его весу в гравитационном поле Земли. Если же сила давления тела на чашу весов меньше его гравитационного веса, значит, на тело действует подъёмная (выталкивающая) сила. Разработанный авторами инновационный способ позволяет напрямую измерять любую из действующих в сосуде с жидкостью сил на плавающее или же лежащее на дне сосуда тело непосредственно в точке его соприкосновения с дном, рис.3.
Рис. 3. Силы, действующие в сосуде с водой весом 60г. при погружении гири 50г. на дно сосуда.
Для того, чтобы выявить действует - ли выталкивающая сила PA на тело, лежащее (плотно прижатое) на дне сосуда с жидкостью, авторами предложен способ раздельного измерения сил, действующих на тело в жидкости и действующих на дно сосуда, рис.3., заключающийся в том, что в погруженном положении тела в жидкости без касания им стенок и дна сосуда, на тело действуют сила тяжестиGТ, сила Архимеда PA и сила натяжения нити Тн(синий четырёхугольник), измеряемые весами N1, где
Тн = GТ– PA, рис.4д. и рис.5. рис.6. В тоже время на дно сосуда действует сумма сил, а именно, сила тяжести жидкостиGж и реакция силы Архимеда RА, вес которых (Gж + RА) измеряются весами N2, рис. В этом положении тела в сосуде с жидкостью без касания телом стенок и дна сосуда, весы N2 (точкаК) обнуляются включением кнопки «тара». После обнуления весов N2, исследуемое тело на нити погружается глубже и ложится на дно сосуда до полного ослабления нити (Тн = 0). Весы N2 при этом напрямую измеряют только - лишь одну силу, а именно, величину силы давления тела на дно сосуда в точке Д их соприкосновения, рис,5., рис.6. то есть, фиксируют истинный вес тела, лежащего на дне сосуда с жидкостью, который, как показывают опыты, всегда меньше гравитационного веса тела в воздухе на величину веса жидкости в объёме погруженного тела (на величину силы Архимеда PA). Но, так как гравитационный вес тела в пределах силы земного притяжения constant, то и лежащее (плотно прижатое ко дну) тело в жидкости своего гравитационного веса не теряет. В этом случае, к весу лежащего на дне сосуда с жидкостью тела, добавляется ранее не известная из уровня техники сила – реакция силы Архимеда [3], равномерно распределённая по всей площади дна, а равнодействующая этих сил RА, направленная вниз, совпадает с линией действия силы тяжести тела GТ, поэтому на дно сосуда, а, соответственно, и на чашу весовдействуют силы G, PAи RА, поэтому реакция чаши весов Rвес. равна сумме этих сил:
Rвес =G– PA +RА = G; где: PA +RА = 0.
Таким образом, вес тела, лежащего на дне сосуда (водоёма), всегда равен весу этого тела в воздухе (вакууме). Однако же, сила его давления на дно сосуда (водоёма) в точке их соприкосновения, всегда меньше веса тела в воздухе на величину выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда). Причём, следует отметить, указанная величина давления тела на дно сосуда с жидкостью не зависит от плотности прижатия тела ко дну, а так же от подтекания или не подтекания жидкости под дно тела, что подтверждается экспериментами.
3. Экспериментальные исследования
Результаты теоретических исследований подтверждаются экспериментами авторов, проведённых с использованием точной измерительной техники. Для измерения величин действующих сил применялись электронные весы ACOM JW -1 с точностью взвешивания до 0,01г. с max пределом взвешивания 200г, и весы SCL – 150 с точностью взвешивания до 0,005г. и с max пределом взвешивания 150г. В качестве погруженного на тонкой нити в сосуд с жидкостью тела использовалась цилиндрическая гиря массой 50г. а сосудом служил прозрачный стакан, наполненный водой плотностью один г/см3, рис.5 и рис.6.
Целью экспериментов было:
- прямое измерение величины действующих сил при погружении тела в сосуд с водой, а именно, величины силы Архимеда и величины реакции силы Архимеда, действующих на тело и на дно сосуда;
- измерение веса тела, полностью погруженного в воду;
- прямое измерение величины давления тела, лежащего на дне сосуда с водой, в точке их соприкосновения.
Полученные экспериментальные результаты позволили построить графики действующих на тело в жидкости сил, рис.2., совпадающих с высокой точностью с теоретическими расчётами. Эксперименты подтвердили, что на тело, лежащее на дне сосуда с жидкостью, всегда действует выталкивающая сила (сила Архимеда), равная весу жидкости, в объёме погруженного в жидкость тела. Так, цилиндрическая гиря весом 50г. объёмом (6,6 - 7.0)см3 в жидкости весит (43,17- 43,51)г. и давит на дно сосуда, когда лежит на дне, с усилием 43,40г. не зависимо от подтекания или неподтекания жидкости под дно гири, рис.4, рис.5, рис. 6.
а) Rвес = GT+ Gсв =110,10г .б) Rвес = GT+ Gсв =110,10г. в)Rвес = GT+ Gсв =110,475г.
г) Rвес = GT+ Gсв =110,300г
д) RвесN1+ RвесN2 = 67,005г + 43,22г = 110,225г,
где: Gсв =60г., RА = 7,005г.; GТВ = 43,22г (вес гири в воде). Рис. 4. Результаты эксперимента с погружением гири 50г. в сосуд с водой, установленный на чаше весов.
Для достоверности результатов эксперимента, повторно измерили силу давления гири весом 50г, лежащей на дне сосуда с водой, в точке их соприкосновения, рис.5., откуда видна хорошая повторяемость результатов эксперимента см. рис.6.
Вес гири Gт= 50,01г; б) Gсв + RА = 67,005г в) Вес гири на дне сосуда Gсв = 60,005г.Вес гири в воде GГВ = 43,22г.с водой равен 43,51г
Рис.5.Измерение сил, действующих на тело при погружении в сосуд с водой и
силы давления тела на дно сосуда в точке их соприкосновения.
а) вес гири в воде на нити б) Вес гири, лежащей на дне сосуда равен 43,17г (момент обнуления весов). с водой, равен 43,400г.
Рис. 6. Прямое измерение силы давления 50-ти граммовой гири, лежащей на дне сосуда с водой, в точке их соприкосновения.
Выводы
В работе «Реакция силы Архимеда – вновь открытая сила и её значение для науки и техники», авторы сделали подробный анализ действующих сил на тело в сосуде с жидкостью, дали оценку ошибочным утверждениям некоторых учёных об «якобы» увеличении веса жидкости при погружении в неё твёрдого тела, и предложили инновационный способ прямого измерения силы давления тела, лежащего на дне сосуда с жидкостью, в точке их соприкосновения. Измерения с применением нового способа, позволили установить, что давление тела на дно сосуда в точке их соприкосновения, всегда меньше веса тела в воздухе на величину веса жидкости в объёме погруженного тела. Однако же, как показали эксперименты, суммарный вес сосуда с жидкостью и гравитационный вес тела остаётся неизменный, несмотря на то, что вес тела, лежащего на дне сосуда, меньше на величину веса жидкости в объёме погруженного тела (силы Архимеда). Это объясняется тем, что на тело, лежащее (прижатое без возможности подтекания под дно тела жидкости), всегда действует сила Архимеда, уменьшающая его давление на дно сосуда в точке их соприкосновения. В то же самое время действует вновь открытая авторами сила - реакция силы Архимеда, равномерно распределённая по всей площади дна сосуда (водоёма), по модулю равная силе Архимеда, но противоположно ей направленная вниз. В результате вес тела, лежащего на дне сосуда (водоёма), всегда равен весу тела в воздухе. То есть, тело в жидкости никак не теряет свой гравитационный вес, который в пределах сил гравитации Земли остаётся constant. Признание наукой вновь открытую силу - реакцию силы Архимеда- позволит устранить сомнения в легитимности закона Архимеда в зоне гравитационного поля Земли, упростить пневмо- гидростатические расчёты и многое другое.
Список используемых источников:
1. Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2-е изд.- М.: Дрофа, 2013г, стр.144—150, Архимедова сила.
2. Г.С. Ландсберг, Элементарный учебник физики. (Тела, лежащие на дне сосуда, стр. 319), т.1, М, 1995 год, 356с.;
3. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н: Вновь открытая сила и новая формулировка закона Архимеда. Сборник статей X Международной научно-практической конференции. в 2ч. Ч. 1–Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение».2018.
4. Осипов Н.Е., Осипов М.А., Тимохин А.А. и др. Патент № 2663551, «Универсальный прецизионный плотномер жидких сред»;
5. Тимохин А.А., Осипов М.А. Инновационный подход к определению выталкивающей силы Архимеда. Труды ХХ Международной конференции научно – технических работ школьников «Старт в науку» - Лауреаты МФТИ, Москва, 2018.
6. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н.: О действии силы Архимеда
на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоёма).Материалы X международной научно-практической конференции - Фундаментальные и прикладные научные исследования,Пенза, 2018.
7. Осипов М.А., Тимохин А.А., Осипов Н.Е., Тимохина И.Н.. Принципиальные ошибки в решении некоторых задач гидростатики и причины их появления: Материалы XIX Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «СТАРТ В НАУКЕ», Москва, 2023
8. Осипов Н.Е. и друг.…. «Способ измерения выталкивающей силы Архимеда». Заявка на изобретение №: 2016126531, 04.07.2016. Дата публикации заявки: 15.01.2018 , Бюл № 2. (Приложение 2)
9.Осипов Н.Е. и друг.…Способ и устройство определения пробы благородных металлов. Заявка на изобретение № 2016126528, 04.07.2016. Дата публикации заявки 12.01.2018, Бюл. № 2.(Приложение).