Как термодинамика объясняет причину силы Архимеда?

Answer 1

В гидростатике. Явление обясняется законом Паскаля.

 Чтобы понять природу силы, действующей на погруженное тело со стороны жидкости, достаточно рассмотреть простой пример.

Кубик с ребром a погружен в воду, причем и вода, и кубик неподвижны. Известно, что давление в тяжелой жидкости увеличивается пропорционально глубине – очевидно, что боле высокий столбик жидкости боле сильно давит на основание. Гораздо мене очевидно (или совсем не очевидно) , что это давление действует не только вниз, но и в стороны, и вверх с той же интенсивностью – это закон Паскаля.

Если рассмотреть силы, действующие на кубик, то в силу очевидной симметрии силы, действующие на противоположные боковые грани, равны и противоположно направлены – они стараются сжать кубик, но не могут влиять на его равновесие или движение. Остаются силы, действующие на верхнюю и на нижнюю грани. Пусть h – глубина погружения верхней грани, r – плотность жидкости, g – ускорение силы тяжести; тогда давление на верхнюю грань равно r · g · h = p1
а на нижнюю r · g (h+a) = p2
Сила давления равна давлению, умноженному на площадь, т. е.
F1 = p1 · a\up122, F2 = p2 · a\up122, где a – ребро кубика,
причем сила F1 направлена вниз, а сила F2 – вверх. Таким образом, действие жидкости на кубик сводится к двум силам – F1 и F2 и определяется их разностью, которая и является выталкивающей силой:

F2 – F1 =r · g · (h+a) a\up122 – rgha ·a2 = pga2

Сила – выталкивающая, так как нижня грань, естественно, расположена ниже верхней и сила, действующая вверх, больше, чем сила, действующая вниз. Величина F2 – F1 = pga3 равна объему тела (кубика) a3, умноженному на вес одного кубического сантиметра жидкости (если принять за единицу длины 1 см) . Другими словами, выталкивающая сила, которую часто называют архимедовой силой, равна весу жидкости в объеме тела и направлена вверх. Этот закон установил античный греческий ученый Архимед, один из величайших ученых Земли.

Если тело произвольной формы занимает внутри жидкости объем V, то действие жидкости на тело полностью определяется давлением, распределенным по поверхности тела, причем заметим, что это давление совершенно не зависит от материала тела – («жидкости все равно на что давить») .