Два одинаковых шара уравновешены в воздухе (рис. 60). Если один шар опустить в сосуд с водой, то вода будет выталкивать его и коромысло наклонится. Изобретатель утверждал, что шар, оказавшись на поверхности воды, снова приобретёт свой вес, снова будет опускаться в воду, а коромысло вечно будет качаться. В чём ошибка изобретателя?

рис. 60

В данном случае мы имеем дело с физическим явлением, где ключевую роль играет закон Архимеда и принцип действия рычага. Чтобы понять, в чём заключается ошибка изобретателя, рассмотрим физические процессы, происходящие с шарами и коромыслом.

1. Закон Архимеда: Выталкивающая сила, или архимедова сила, действует на тела, погружённые в жидкость. Эта сила направлена вверх и равна весу объёма жидкости, вытесненного телом. Для шара, погружённого в воду, выталкивающая сила будет равна весу воды, вытесненной объёмом шара.

2. Вес шара в воде: Когда шар опускается в воду, он частично или полностью погружается в неё, и на него начинает действовать выталкивающая сила. В результате этого вес шара, измеряемый в воздухе, уменьшается на величину выталкивающей силы. Если выталкивающая сила равна весу шара, то шар всплывёт и будет плавать на поверхности воды.

3. Рыночный баланс и равновесие: Коромысло с двумя шарами на концах будет находиться в равновесии, если моменты сил, действующих на оба плеча, будут равны. Момент силы определяется как произведение силы на плечо (расстояние от точки опоры до точки приложения силы).

4. Погружение и всплытие шара: Когда шар опускается в воду, выталкивающая сила уменьшает эффективный вес шара (вес шара в воде), что ведёт к изменению равновесия коромысла. Коромысло наклоняется в сторону шара, который остался в воздухе, так как его вес больше по сравнению с шаром в воде.

Теперь, чтобы понять, почему коромысло не будет качаться вечно, необходимо проанализировать утверждение изобретателя:

• Изобретатель считает, что шар, который всплывёт на поверхность, снова приобретёт свой первоначальный вес и будет погружаться обратно, создавая бесконечное движение.

Ошибка в этом рассуждении заключается в непонимании того, что для изменения положения шара (его погружения или всплытия) требуется внешнее воздействие, которое не учтено. Когда шар всплывает, он будет находиться в равновесии на поверхности воды, если выталкивающая сила равна его весу. Для изменения его положения (то есть для того, чтобы шар снова начал погружаться) необходимо приложить дополнительную внешнюю силу. В реальном физическом мире никакие системы не могут работать вечно без затраты энергии. Это противоречит закону сохранения энергии.

Таким образом, изобретатель ошибочно предполагает, что система будет работать как вечный двигатель, что невозможно, так как в любой реальной системе есть потери энергии из−за трения, сопротивления воздуха и других факторов.