Почему уменьшается выталкивающая сила, действующая на шар, по мере его подъёма?

Выталкивающая сила, или сила Архимеда, определяется законом Архимеда, который гласит, что на любое тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу объёма жидкости или газа, вытесненного этим телом. Формула для расчета выталкивающей силы выглядит следующим образом:

$$ F_{\text{выталкивающая}} = \rho \cdot g \cdot V $$

Где:
− $ F_{\text{выталкивающая}} $ — выталкивающая сила;
− $ \rho $ — плотность жидкости или газа;
− $ g $ — ускорение свободного падения;
− $ V $ — объём вытесненной жидкости или газа.

Теперь рассмотрим, почему выталкивающая сила может уменьшаться по мере подъема шара.

1. Изменение плотности среды:

   • При подъеме в жидкости, обычно плотность жидкости остается постоянной до тех пор, пока шар полностью не выйдет из неё. Если же шар поднимается в газе (например, воздухе), ситуация может быть иной. Плотность воздуха уменьшается с высотой из−за уменьшения давления и температуры. Это значит, что с увеличением высоты шар будет вытеснять всё меньший объём воздуха, поскольку плотность среды уменьшается.

2. Объём погруженной части тела:

   • Если шар поднимается и постепенно выходит из жидкости (например, из воды), объём его погруженной части уменьшается. Соответственно, уменьшается и объём вытесненной жидкости, что приводит к уменьшению выталкивающей силы. В случае с газами это также может быть правдой, если шар, например, наполовину погружен в более плотный газ и поднимается в менее плотный.

3. Давление и температура:

   • Несмотря на то что давление и температура сами по себе не влияют напрямую на выталкивающую силу, они влияют на плотность среды (особенно в газах). С увеличением высоты давление и температура часто снижаются, что снова приводит к уменьшению плотности и, соответственно, выталкивающей силы.

Таким образом, основными причинами уменьшения выталкивающей силы при подъёме шара являются изменения плотности среды и изменения в объёме погруженной части тела.