Возьмите сосуд с узким горлышком (можно бутылку из−под молока) и наполните его доверху водой. Затем возьмите маленький пузырёк и поместите его в сосуд с водой отверстием вниз. Наклонив пузырёк, впустите в него такое количество воды, чтобы он держался на поверхности, но от малейшего толчка уходил под воду. Горлышко сосуда закройте резиновой плёнкой и закрепите его ниткой вокруг горлышка. Если нажать на плёнку, пузырёк − «водолаз» пойдёт ко дну, если отпустить, «водолаз» всплывёт. Эту игрушку сделал французский учёный Рене Декарт. Объясните причины перемещения «водолаза».

Для объяснения причин перемещения «водолаза» в этой игрушке следует рассмотреть несколько ключевых физических явлений и принципов, которые определяют его движение:

1. Закон Архимеда Закон Архимеда гласит: на любое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим телом. Эта сила направлена вверх. Если выталкивающая сила больше силы тяжести, действующей на тело, то тело всплывает. Если силы равны, то тело находится в состоянии равновесия, частично погружённое в жидкость. Если сила тяжести больше, чем выталкивающая сила, тело тонет.

В данном случае пузырёк («водолаз») плавает на поверхности воды благодаря действию выталкивающей силы, которая превышает его силу тяжести. Для этого внутри пузырька находится воздух, который уменьшает его плотность и позволяет ему быть плавучим.

1. Плотность объекта Плотность определяется как масса объекта на единицу его объёма ($ \rho = \frac{m}{V} $). В случае с пузырьком («водолазом»), его плотность может изменяться за счёт изменения объёма воздуха внутри пузырька, когда вода заполняет его часть.

Если плотность пузырька становится больше плотности воды, он тонет. Если плотность меньше, он всплывает.

1. Изменение давления в сосуде
   Когда вы нажимаете на резиновую плёнку, давление внутри сосуда увеличивается. Это происходит за счёт передачи силы на жидкость. Согласно закону Паскаля, давление в жидкости передаётся равномерно во все направления. Таким образом, давление возрастает как в воде, так и в пузырьке.

2. Сжимаемость воздуха
   Воздух внутри пузырька является сжимаемым газом. Когда давление в жидкости увеличивается (при нажатии на резиновую плёнку), воздух внутри пузырька сжимается, его объём уменьшается. Это приводит к тому, что внутрь пузырька проникает больше воды. В результате плотность пузырька увеличивается.

3. Плавучесть и перемещение «водолаза»
   Когда давление увеличивается, объём воздуха в пузырьке сокращается, а вода замещает этот объём. Это приводит к увеличению плотности пузырька. В итоге выталкивающая сила становится меньше силы тяжести, и пузырёк начинает тонуть.
   Когда вы прекращаете нажимать на плёнку, давление в сосуде снижается. Воздух в пузырьке расширяется, объём воды внутри пузырька уменьшается, и плотность пузырька снижается. Выталкивающая сила снова становится больше силы тяжести, и пузырёк всплывает на поверхность.

4. Роль резиновой плёнки
   Резиновая плёнка служит как герметичная мембрана, которая позволяет изменять давление внутри сосуда. Нажатие на плёнку увеличивает давление, а её отпускание возвращает давление к исходному состоянию.

Общий вывод

Перемещение «водолаза» связано с изменением плотности пузырька, которое происходит из−за изменения объёма воздуха внутри него под действием внешнего давления. Таким образом, управление движением «водолаза» осуществляется через изменение давления в сосуде с водой.