Помним со школьных лет: «Всякое тело, погружённое в жидкость или газ, испытывает…..». И опыты, демонстрирующие действие закона. Помните: взвешиваем тело в воздухе, затем погружаем чашку весов с этим телом в наполненный до краев сосуд, отмечаем, насколько тело «полегчало», собираем и взвешиваем вылившуюся воду и т. д.
Всё очень наглядно и убедительно, но только это демонстрация действия, но никак не объяснение закона. Видно, что закон работает, но непонятно, как и почему он действует. Получается, что эта "выталкивающая сила" чуть ли не мистическая.
Объяснение, естественно, есть, только мало где оно встречается. Во всяком случае, когда учился в школе, там действие закона не объясняли. Действует и все!
А объясняется это действие законом Паскаля, тем самым, который про давление в любой точке жидкости, действующее во все стороны и равное весу столба жидкости над этой точкой.
На рисунке стрелками показано давление воды, действующее на поверхности двух одинаковых тел.
На вертикальных боковых поверхностях давление увеличивается сверху вниз, так как увеличивается соответствующая высота водяного столба. Поскольку на двух противоположных боковых сторонах давление одинаково, суммарные силы от этого давления уравновешиваются и на поведение тела не влияют. На горизонтальных верхних и нижних поверхностях давление распределено равномерно, но на нижних оно больше, чем на верхних.
Разница этих давлений и даёт результирующую силу, направленную вверх, то есть выталкивающую или архимедову силу. Сила не зависит ни от положения тела, ни от глубины погружения, а только от объема тела, равного объему вытесненной жидкости. Давление жидкости прямо зависит от ее плотности, а плотность, умноженная на вытесненный объем и даёт вес, упомянутый в законе. Величину выталкивающей силы определяет не переменное по глубине давление, а разность давлений, действующих на тело сверху и снизу. На рисунке разность давлений для левого тела меньше, чем для правого. Но выталкивающая сила для этих одинаковых по объему тел одинакова, так как для правого тела большая разность давлений действует на меньшую площадь нижней поверхности.
Нетрудно в той же логике показать, что выталкивающая сила не зависит и от формы тела.
А теперь, о привычной формулировке закона. Если оба рассмотренных тела погрузить на дно сосуда и сделать так, чтобы под ними жидкости не было (попросту приклеить их ко дну, прежде чем заливать в него воду), получится вот такая картина:
На боковых поверхностях всё по-прежнему уравновешивается, но сверху жидкость давит, а снизу нет. Оба тела не только «не испытывают действие выталкивающей силы», а достаточно сильно прижаты ко дну. И держит их не клей, а та же самая жидкость, которая, если окружает тело со всех сторон, выталкивает его вверх. Сила прижатия здесь прямо зависит от глубины и от положения тела (для правого она существенно меньше, так как и давление на его верхнюю поверхность меньше и действует оно на меньшую площадь).
Именно на этом принципе действуют всевозможные присоски.
Это хорошо знают, например, подводники, которые опускают свою субмарину на дно только в самом безвыходном положении и предпочитают, чтобы это дно было достаточно твердым, так как, пролежав какое-то время на мягком дне, лодка своими силами подняться уже не сможет.
Так что, в привычную формулировку следовало бы ввести корректировку и написать что-то вроде: «Всякое тело, погруженное в жидкость и окружённое ею со всех сторон….». Хотя и это не на все случаи годится, ведь для плавающих тел достаточно, чтобы жидкость была с трех сторон, еще точнее – со всех сторон, кроме верха. И с прилепленным к боковой стенке сосуда телом картина иная.
Интересно, как объяснял себе свой закон Архимед? Ведь жил-то он ой как задолго до Блеза Паскаля. А может быть, закон Паскаля открыл вовсе не Паскаль, а сам Архимед?