Как на опыте показать, что на тело, находящееся в газе, действует выталкивающая сила?

Для демонстрации выталкивающей силы, действующей на тело, находящееся в газе, можно использовать принцип действия Архимедовой силы, применимый не только к жидкостям, но и к газам. Этот принцип объясняет, что выталкивающая сила возникает из−за разности давлений газа на верхнюю и нижнюю части тела, погружённого в него. Теоретическая база этого явления описывается следующим образом.

Когда тело полностью или частично находится в газе, каждая его часть испытывает давление газа. Давление газа в атмосфере пропорционально высоте слоя над телом и уменьшается с высотой согласно закону изменения давления в газах. Это объясняется тем, что масса газовой среды (например, воздуха) создаёт давление на нижние слои, и чем ниже располагается слой, тем выше будет давление. Поэтому верхняя часть тела испытывает меньшее давление, чем нижняя.

Рассмотрим тело, расположенное вертикально в слое газа. Пусть высота тела равна $h$. Давление на нижнюю часть тела будет больше, чем на верхнюю, из−за того, что давление увеличивается с глубиной (с высотой слоя газа). Разность давлений создаёт силу, направленную вверх, которая называется архимедовой силой или выталкивающей силой.

Математически выталкивающую силу $F_A$ можно выразить через плотность газа $\rho$, объём погружённого тела $V$, и ускорение свободного падения $g$ по формуле:

$$ F_A = \rho \cdot V \cdot g $$

где:
− $\rho$ — плотность газа (например, воздуха),
− $V$ — объём тела, вытесняющего газ,
− $g$ — ускорение свободного падения (примерно $9.8 \, \text{м/с}^2$).

Архимедова сила действует на любое тело, находящееся в газе, но может быть незаметна, если масса тела велика по сравнению с массой вытесненного газа. Для наглядной демонстрации этого явления важно использовать лёгкие тела или тела большого объёма, чтобы выталкивающая сила была сравнима с силой тяжести, действующей на тело.

Пример опыта для демонстрации:
1. Возьмите воздушный шарик или пустую лёгкую ёмкость, например, пластиковую бутылку с герметичной крышкой.
2. Наполните шарик легким газом, например, гелием. Убедитесь, что масса шарика вместе с газом меньше массы вытесненного воздуха.
3. Поместите шарик в воздух — он начнёт подниматься вверх, так как выталкивающая сила больше силы тяжести.
4. В качестве варианта можно откачать воздух из небольшой герметичной камеры с помещённым в неё лёгким телом или ввести в неё газ с большей плотностью. При этом можно наблюдать, как изменяется поведение тела в зависимости от плотности газа.

Таким образом, опыт показывает, что на тело в газе действует выталкивающая сила, которая зависит от плотности газа и объёма тела.