Как создать нулевую плавучесть?

Question

Здравствуйте, на уроке физики появился вопрос, но учитель не дал нормального ответа.
Так вот, хочу узнать, при каких условиях создаётся нулевая плавучесть? Как сделать так, что бы тело в воде зависло в середине?

Answer 1

Просто в принципе и не очень легко - практически.

Если средня плотность любого объёмного тела в точности равна плотности воды на заданной глубине - такое тело окажется в равновесии и не будет погружаться или подниматься. Среднюю плотность можно регулировать, забирая забортную воду в специальные емкости - или продувая оные емкости сжатыми воздухом.

Равновесие - теоретически - должно быть устойчивым, поскольку плотность воды с глубиной растёт: ведь с глубиной возрастает давление, поэтому плотность воды (которая обладает ненулевой сжимаемостью) с глубиной также неизбежно возрастает.

На практике все несколько сложне (и проще) .

Сложне - потому что погружаемое тело не обладает абсолютной жесткостью и претерпевает неизбежное уменьшение объёма с ростом давления. Следовательно, плотность его может уменьшиться и оно может неконтролируемо "провалиться" на бОльшую глубину.
И наоборот, поднявшись в область меньшей глубины, корпус может слегка "раздуться" из-за сброса давления, из-за чего аппарат может уменьшить среднюю плотность и "проскочить" желаемую глубину - и даже всплыть на поверхность.

Вот почему уравновешенный эластичный шар с воздухом (пример подводного тела с минимальной жесткостью корпуса) будет находиться в неустойчивом равновесии: он неминуемо утонет, если случайно увеличится глубина. Или всплывёт, если глубина случайно уменьшится.

С другой стороны, плотность воды зависит от температуры: нагретый слой воды имет меньшую плотность. В

Answer 2

Путем регулирования массы тела при том же объеме, или наоборот.

Берешь, к примеру, колпачок от ручки и затыкаешь его отверстие куском пластилина. Добавля и убавля количество пластилина можно заставить этот колпачок висеть на одной глубине. Но состояние это будет неустойчивым. Подтолкнешь колпачок поглубже - и он сразу начнет тонуть самостоятельно. Подтолкнешь повыше - сразу начнет всплывать. Это происходит по той причине, что сравнительно мягкий пластик, и тем боле пластилин - эластичны, и из-за давления воды могут сжиматься, сокращаться в объеме. Когда заталкиваешь колпачок в глубину, он сдавливается водой и его объем чуть уменьшается - в то время, как масса остается прежней. То есть, как бы возрастает плотность тела, и естественно, ухудшается плавучесть.
Если хочешь получить тело, которое держится на одной глубине устойчиво, то его надо делать ОЧЕНЬ прочным, чтобы оно под давлением сжималось МЕНЬШЕ, чем сжимается сама вода. А вода сжимается плохо! Разве только очень качественный стальной сплав плющится под молотком хуже, чем сжимается вода. Вот из ТАКОГО сплава сделать поплавок, отрегулировать его на нулевую плавучесть - тогда он действительно будет держаться стабильно. Толкнешь вниз - он поднимется обратно. Толкнешь вверх - он опустится обратно.

Кстати, тот факт, что колпачок ручки может сжиматься от давления, можно использовать для забавной игрушки. Сделай такой поплавок, чтобы он плавал, едва-едва касаясь поверхности своей верхушкой. Налей воду в пластиковую бутылку, брось туда этот поплавок и плотно завинти пробку. Если ты теперь сожмешь бутылку рукой (чтобы внутри возросло давление) - поплавок сам собой опустится на дно. Отпускаешь руку - он сам собой всплывает обратно.