За счет чего плавают корабли
IT News
Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm
Почему корабли держатся на воде?
Корабли, лодки, плоты и другие тела удерживаются на плаву из-за наличия у воды выталкивающих свойств. Как и все остальные жидкости, вода создает направленное вверх давление, которое может поддерживать помещенные в воду твердые предметы.
У кораблей в процесс обеспечения плавучести вовлечено несколько факторов, в том числе форма судна, его прочность и предусмотренные средства для противодействия волнам. В общем случае, корабль будет держаться на воде, если объем воды, который он вытесняет, весит больше, чем сам корабль. У такого корабля направленная вверх сила давления воды на корпус будет преодолевать направленную вниз силу тяжести, которая может считаться приложенной в одной точке, называющейся центром тяжести. Говорят, что корабли сохраняют устойчивость (на языке специалистов — остойчивость), если после накреняющих силовых воздействий таких факторов, как волны или ветер, они могут вернуться на ровный киль. Если корабль неправильно спроектирован или загружен, подобные внешние воздействия могут привести к потере остойчивости и корабль может пойти ко дну.
Закон Архимеда
Подвешенный на пружинных весах кубик (рисунок под текстом) весит в воде меньше (правая часть рисунка), чем в воздухе (левая часть рисунка). При погружении кубик вытесняет объем воды, вес которого равен уменьшению реса кубика. Связь между объемом погруженного тела и силой, выталкивающей это тело вверх, была впервые описана греческим математиком Архимедом в третьем столетии до нашей эры.
Сила тяжести против выталкивающей силы
Слабо загруженный корабль имеет небольшую осадку, так как при большем погружении корпуса выталкивающая сила (синяя стрелка) начинает превышать силу тяжести (красная стрелка). Полностью загруженный корабль сидит в воде глубже, вытесняя больший объем воды, чем легкий корабль.
Поддержание равновесия
Смещение центра тяжести
Три схематических разреза корабля на рисунке показывают, как загрузка влияет на остойчивость. Полный трюм корабля (ближний разрез) сводит центр тяжести и точку приложения выталкивающей силы (центр плавучести) близко друг к другу, делая корабль остойчивым. Накрененный волнами, такой корабль легко восстанавливает положение равновесия. В корабле с пустым трюмом (средний разрез), центры тяжести и плавучести отстоят друг от друга на большом расстоянии, поэтому корабль неустойчив. Вес заполненных водой балластных резервуаров (дальний разрез) восстанавливает остойчивость корабля.
Устройства для уменьшения качки
Два резервуара в корпусе (рисунок над текстом) помогают уменьшать бортовую качку. Вес воды, перетекающей из одного резервуара в другой, противодействует боковым ударам волн.
Носовой резервуар, попеременно заполняющийся водой и опорожняющийся, уменьшает килевую качку корабля в бурных морях.
Почему корабли плавают
История судостроения
Историческая наука не может определить точных дат начала строительства судов. Но во многих письменных источниках упоминается о морских судах и существовании торговых путей, которые связывали между собой человеческие поселения. Эти свидетельства подтверждают высокие достижения древних кораблестроительных технологий. Первые простейшие суда изобрели задолго до колесной повозки.
Как корабль держится на воде
Плавучесть — свойство погруженного в жидкость тела оставаться в равновесии, не выходя из воды и не погружаясь дальше, то есть плавать.
Имеется несколько условий для плавания судна: если сила тяжести корабля больше гидростатического давления, то судно будет тонуть; если сила тяжести корабля равна гидростатическому давлению, то судно будет находиться в равновесии в любой точке жидкости, будет плавать внутри жидкости; если сила тяжести меньше гидростатических сил, то судно будет держаться на поверхности.
Корабли по своей массе действительно тяжелые, но у них достаточный запас воздуха внутри корпуса и высокие борта. Сила тяжести любого судна меньше гидростатических сил воды, поэтому корабли держатся на воде. Если превысить грузоподъемность судна, то сила тяжести будет больше воздействия гидростатических сил, и корабль затонет. Аналогичная ситуация возникнет, если судно получило пробоину. Корпус наполнится водой, сила тяжести увеличивается, корабль тонет.
Почему корабль не тонет? Простое объяснение непростого вопроса
В настоящее время кораблестроение хорошо развито. Громадные стальные и железные суда бороздят просторы океана. Однако у многих возникает вопрос: почему корабль не тонет? Ведь его масса огромна, и он должен утонуть сразу же, как только окажется на воде.
Почему корабль не тонет? Физика в кораблестроении
Для того чтобы объяснить такое интересное явление, необходимо обратиться к закону великого ученого Архимеда. Закон звучит следующим образом: жидкость выталкивает любые тела с такой силой, которая равняется весу жидкости в объеме погруженной в нее части тела. Если говорить более простыми словами, то звучит это примерно так: чем больше площадь корабля, тем тяжелее он может быть и при этом не утонуть. А значит, большая площадь позволяет использовать такие тяжелые материалы, как сталь или железобетон, которыми и пользовались США для кораблестроения в начале 20-го века.
К тому же большая площадь дает возможность нагружать судно грузом. Плавучесть корабля поддерживается объемом воздуха, который заключен в объем всего судна. Стоит отметить, что воздух в 825 раз легче, чем вода. Это же и является ответом на вопрос, почему корабль не тонет. Ведь именно из-за образования так называемой воздушной подушки и при использовании закона Архимеда удается строить стальные судна, которые не уходят под воду.
Почему корабль не тонет? Инженерная часть
Кроме закона Архимеда и принципа воздушной подушки, инженеры кораблестроения используют еще кое-что. Это называется принцип рычага. Он обеспечивает плавучесть судна, а также его способностью сопротивляться ветру и волнам. Проектирование корабля можно рассмотреть на обычном тазике, плавающем в ванной. Если оставить предмет в небольшом объеме воды, то плавать он будет постоянно, а вот если перенести его в речку и пустить по воде, то через определенный период тазик наполнится жидкостью из-за ветра и волн и, естественно, утонет.
Этот же принцип сработает и на громадном стальном корабле, если он будет характеризоваться малой остойчивостью. Ею называют способность корабля сохранять устойчивую позицию на воде. Зависимость этого показателя происходит от того места, в котором расположен центр тяжести судна. Чем выше поднимается этот центр, тем легче будет ветру и волнам перевернуть судно.
Это говорит о том, что остойчивость малая. Именно по этой причине все современные судна строятся с расчетом на то, что все тяжелые части вроде ходовых двигателей и т. д. располагаются в нижней части судна. Строительство кораблей также проходит с небольшим нюансом. Чтобы увеличить остойчивость и уменьшить риск потопления судна, конструкторы оборудуют дно корабля специальными свинцовыми накладками, которые исполняют роль утяжелителей.
Правила морехода
Управление судном
Почему корабли не тонут
Как известно, корабли строят из металла и они очень тяжёлые. Железные гвозди тоже производят из металла, по сравнению с кораблями они лёгкие, но, тем не менее, уходят ко дну. А почему корабли не тонут?
Закон Архимеда в действии. Парадокс Архимеда
Чтобы объяснить это явление, необходимо иметь представление о Законе Архимеда: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме тела. Чтобы убедиться в действии выталкивающей силы, достаточно погрузиться в ванну, наполненную до краёв. Тело вытолкнет часть воды вверх, и она прольётся на пол. Другими словами, когда какое-либо физическое тело погружается в воду, оно освобождает себе пространство, выталкивая часть воды. А вода, в свою очередь, выталкивает тело наверх.
Корабли очень тяжёлые, но в их корпусе есть большие равномерно расположенные пустоты, заполненные воздухом, который легче воды. В результате вес той воды, которую выталкивает корабль, больше его собственного веса. Так что судно не утонет до тех пор, пока оно не перегружено и не стало тяжелее вытолкнутой им воды. Между прочим, пустые помещения помогают кораблю не потонуть даже с пробоиной в корпусе, находящейся ниже уровня воды. Это возможно благодаря тому, что эти пустоты отгорожены друг от друга толстыми перегородками. Если даже вода полностью заполнит одну полость, то остальные останутся в прежнем состоянии.
Таким образом, в случае корабля выталкивающая сила равна весу воды в объёме той части судна, которая погружена в воду. Если эта сила больше, чем вес судна, то оно будет плавать. Кстати, парадокс Архимеда утверждает, что тело может плавать в объёме воды меньшем, чем объём самого тела, если его средняя плотность меньше, чем плотность воды. Проявление этого парадокса состоит в том, что массивное тело (то есть плавательное средство) может плавать в объёме воды намного меньшем, чем объём самого тела.
Понятия водоизмещения и ватерлинии
Корабль не тонет потому, что, в отличие от гвоздя, обладает водоизмещением. Водоизмещение — это количество (вес или объём) воды, вытесненной подводной частью корпуса судна. Масса этого количества воды равна весу всего судна, независимо от его размера, материала и формы.
Как известно, корабли предназначены для перевозки людей и грузов. Если он пустой, то его вес минимальный, а следовательно, он меньше всего «осаживается» в море. Гружёное судно погружается в воду глубже. При повышенной нагрузке чрезмерное погружение в воду чревато затоплением — судно уйдёт под воду и утонет. Поэтому на корпусе имеется ватерлиния — специальная горизонтальная линия на внешней стороне борта, до которой крупное плавательное средство погружается в воду при нормальной осадке. Обычно выше неё корабль открашен одним цветом, а ниже — другим. Если уровень ватерлинии начал погружаться под воду, это свидетельствует о перегрузке судна либо наличии пробоины. С другой стороны, пустой корабль не должен быть слишком лёгким, так как в этом случае его подводная часть будет слишком маленькой по отношению к надводной. Такое положение также опасно: ветер и волны могут опрокинуть плавательное средство.
В наше время для определения глубины погружения существует множество датчиков. А ватерлиния — лишь вспомогательное средство определения исправности и правильной эксплуатации судов.
Таким образом, железные суда проектируют и строят с таким расчётом, чтобы при погружении они вытесняли количество воды, вес которой равен их весу в загруженном состоянии.
Аналогия с железным шариком
Можно представить объяснение и с точки зрения физической зависимости между массой, объёмом и плотностью. Тела, плотность которых меньше плотности воды, свободно плавают по её поверхности. Как известно, плотность обратно пропорциональна объёму и прямо пропорциональна массе, что отражает формула ρ=m/v. То есть при неизменной массе тела, чтобы уменьшить плотность, требуется пропорционально увеличить его объём. Последнее утверждение можно представить следующим примером.
Железный шарик тонет в воде, потому что у него большой вес, но маленький объём. Если этот шарик расплющить в тонкий лист, а из листа сделать большой, внутри пустой шар, то вес не увеличится, а объём значительно вырастет, из-за чего железный шар будет плавать.
Корабль внутри имеет множество пустых, наполненных воздухом помещений, и его средняя плотность значительно меньше плотности воды. Поэтому для судна очень опасно, если пробоины в нём будут наполняться водой. Вода тяжелее воздуха, что приведёт к нарушению баланса между весом судна и объёмом, и он пойдёт ко дну.
Интересно, что в танкерах, перевозящих нефть, пустых помещений с воздухом почти нет, так как сама нефть имеет плотность, меньшую плотности воды. Аналогично и с лесовозами. Поэтому танкеры и лесовозы нагружают под завязку — чтобы не требовался воздух. А такие судна, как балкеры, перевозящие металл и железную руду, нуждаются в большом количестве пустых помещений.
На схеме: 1 — Силы поддержания корабля на плаву; 2 — Давление воды на борт судна.
Таким образом, действие выталкивающей силы зависит, во-первых, от объёма плавательного средства, а во-вторых — от плотности воды, в которой судно плавает.
Эта сила тем больше, чем больше объём погружённого тела.
Могут ли корабли летать?
Суда на воздушной подушке передвигаются по воде, однако они не погружаются в воду, как обычные корабли. Они парят на прослойке воздуха, которая приподнимает судно над поверхностью воды. Такой корабль может передвигаться не только по воде, но и по земле.
Как погружаются и всплывают подводные лодки?
У подводной лодки есть специальные резервуары, которые при погружении заполняются водой. Вес лодки увеличивается, она становится тяжелее воды и погружается вниз. При всплытии резервуар наполняют воздухом, который вытесняет воду. Схематически это указано на рисунке выше.
Первая подводная лодка
Одна из первых подводных лодок была сконструирована и испытана голландцем Корнелиусом ван Дреббелем ещё в 20-х годах XVII века. Двенадцать гребцов погружали деревянную лодку под воды реки Темза в Великобритании.
Первый водолазный костюм
Этот неуклюжий водолазный костюм изобрели более 200 лет назад. Воздух для водолаза поступал с поверхности по длинному шлангу.
Таким образом, благодаря воздуху, который легче воды, можно контролировать погружение тел в воду. На этом принципе основано перемещение подводных лодок и по этой причине корабли не тонут.
Исследовательская работа «Почему корабли не тонут?»
«Управление общеобразовательной организацией:
новые тенденции и современные технологии»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение
«Прогимназия №13 г. Майского»
Республиканский конкурс исследовательских работ
и проектов школьников «Первые шаги в науку»
Школа МКОУ «Прогимназия №13 г. Майского»
Тема: «Почему корабли не тонут?»
Руководитель исследовательской работы: Карпенко Екатерина Николаевна
учитель начальных классов МКОУ «Прогимназия № 13 г. Майского»
С
ОДЕРЖАНИЕ
II.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ …………. 4
2.1. Из истории кораблестроения. …………………………………. 4
2.3. Строение корабля и его свойства. …………………………………. 5
III. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ ………………………………. 6
V.СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ИСТОЧНИКОВ
Меня давно интересует вопрос, почему некоторые предметы тонут, а некоторые держатся на поверхности воды.
Под водой мы можем поднять с легкостью камень, который с трудом поднимаем в воздухе. Если погрузить пробку под воду и выпустить её из рук, то она всплывёт. Когда мы плаваем в воде, наше тело выталкивает на поверхность какая-то сила. П очему маленький гвоздь, брошенный в воду, сразу идет на дно? И почему тогда, огромные корабли, построенные из металла, вес которых составляет десятки, а иногда и сотни тысяч тонн спокойно бороздят просторы мирового океана? Как можно объяснить эти явления? Мне захотелось узнать, почему это происходит? Я решил провести небольшое исследование.
Проблема исследования: почему же такие огромные и тяжёлые корабли не тонут? Что позволяет им не только держаться на воде, но и перевозить тяжёлые грузы?
Цель исследования: выяснить причины, позволяющие кораблям не тонуть
Задачи: узнать об истории кораблестроения, выяснить, от каких факторов зависит плавучесть корабля, п ровести опыты, объясняющие, почему корабли не тонут.
В ходе проведения исследования я выдвинул следующие гипотезы:
возможно, корабли не тонут, т.к. сделаны лёгких материалов;
я предполагаю, что есть какая-то сила, которая удерживает корабли на воде;
может быть, корабли не тонут потому, что имеют особую форму и строение.
Объект исследования: тела разной формы и размеров, погруженные в жидкость.
Предмет исследования: изучение взаимодействия жидкости и предметов, помещённых в неё. Мной были использованы следующие методы: изучение литературы и обобщение полученной информации; беседы, эксперименты.
II.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
2 .1. Из истории кораблестроения.
Из литературы я узнал, что люди с давних времён хотели научиться плавать. Первыми плавательными средствами были связанные брёвна, плоты и челноки, выдолбленные из брёвен. Постепенно плавательные средства улучшались. Около 5000 лет назад шумеры и египтяне начали сооружать суда, которые ходили на вёслах и под парусом. Примерно в 3000 г. до н.э. появился первый известный корабль – древнеегипетское тростниковое судно Позже люди стали строить корабли из дерева. Это позволило увеличить размеры судна и перевозить гораздо больше грузов и пассажиров.
В 19 веке паровые двигатели заменили парус, а вместо дерева начали использовать сталь. В ХХ веке в кораблестроении начали использовать пластик. Проходило время. Размеры кораблей увеличивались и, следовательно, рос и их вес. Вместо паровой машины, на кораблях стали устанавливать дизельные двигатели и газовые турбины. А современные флоты используют корабли с атомной двигательной установкой. В настоящее время корабли представляют собой огромные лайнеры и авианосцы, которые бороздят просторы мирового океана и могут месяцами не заходить в порт.
2.2. Подводные лодки.
Существует такой вид кораблей, которые могут плавать, как на поверхности морей и океанов, так и в морских глубинах. Это подводные лодки, или как ещё их называют – субмарины.
Раньше подводные лодки были маленькие судёнышки и служба на них была очень опасной из-за несовершенства техники того времени. Для надводного хода использовали бензиновый двигатель, а под водой лодка передвигалась на электромоторах, питающихся от аккумуляторов. Глубина погружения составляла несколько десятков метров.
Для всплытия подводной лодки в балластные цистерны пускают сжатый воздух, из расположенных внутри субмарины баллонов. Поступающий под большим давлением воздух, выталкивает воду из балластных цистерн, облегчая подводную лодку. И как только сила Архимеда превысит силу тяжести подводной лодки, субмарина начнет всплытие.
Служба на подводных лодках и в настоящее время является очень тяжелой, но почётной для моряков.
2.3. Строение корабля и его свойства.
Способность же судна удерживаться на плаву зависит от соотношения его массы (веса) и объема. Так давайте теперь узнаем, почему такие огромные корабли не тонут, и проверим наши гипотезы?
III. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ
Зависит ли плавучесть корабля от материала, из которого построено судно?
Для этого нам потребуются предметы из различного материала: дерева, пенопласта, металла и пластилина. Я погружаю их в воду.
Мы видим что, металлический ключ и шарик из пластилина утонули, а деревянная дощечка и кусок пенопласта держатся на воде. Почему так происходит?
Все зависит от плотности материала, из которого сделан предмет. Все тела, которые окружают нас, состоят из молекул. Тела, у которых молекулы расположены близко друг к другу, имеют большую плотность, чем те тела, у которых молекулы расположены далеко друг от друга.
Вывод: корабль можно построить из нетонущего материала, плотность которого меньше, чем плотность воды.
Опыт №2
Как зависит плавучесть корабля от формы его корпуса?
Для этого нам потребуются два, одинаковых по весу, шарика пластилина.
Из одного куска делаем кубик, а другому придаем форму корпуса корабля. И погружаем их в воду. Как мы знаем – пластилин должен утонуть в воде, так как его плотность больше плотности воды.
Мы видим, что кубик из пластилина утонул, а фигурка в виде корпуса корабля и имеющая борта, как у настоящего судна, держится на плаву. Его поддерживает на воде какая-то сила. (Приложение 2).
Вывод: корпус корабля имеет особую форму, и может держаться на воде под воздействием определённых сил.
Какие силы действуют на погруженный в воду корпус корабля?
Для этого нам потребуется: кусочек пенопласта и металлический предмет (ключ).
Возьмем кусочек пенопласта и привяжем к нему металлический предмет (ключ). Теперь погрузим их в воду. Пенопласт, всплывая, поднялся вверх и потянул за собой груз.
Так и трюмная часть корабля, при погружении в воду, вытесняет массу воды, равную ее собственной массе. Вес вытесненной воды и определяет вес судна (это называется водоизмещением корабля). Т ело большого размера (объёма) вытеснит больше воды, чем маленькое тело, одинакового с ним веса. И чем больше тело вытеснит воды, тем с большей силой вытесненная вода будет пытаться вернуться на место. И пытаясь вернуться на место, вытесненная вода будет выталкивать корабль вверх.
Это явление открыл древнегреческий учёный Архимед (287 — 212 лет до н.э.) и сформулировал закон, который гласит: на всякое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости, известный сейчас как Закон Архимеда. (Приложение 3).
Вывод: на корпус корабля, погруженный в воду, действует выталкивающая сила Архимеда, направленная верх, к поверхности воды.
Опыт №4
Влияние воздуха на плавучесть корабля?
Для этого нам потребуется: пустая пластиковая чашечка.
Опускаем чашечку в воду на самое дно. Но как только я отпустил ее, она сразу поднялась на поверхность. Из литературы, я узнал, что на самом деле воздух играет очень большую роль в поддержании корабля на поверхности, но есть ещё и другая сила, которая удерживает судно на плаву. (Приложение 4).
Вывод: воздух на самом деле удерживает предметы на поверхности. Получается, что именно воздух поддерживает корабль на плаву.
Опыт №5
«Удивительное яйцо».
Для этого нам потребуется: два стакана, два яйца, соль.
Я взял пустой стакан и положил туда яйцо. Налил в стакан воды. Яйцо осталось лежать на дне. Я взял другой стакан и проделал то же самое, но в него я стал добавлять соль. Сначала яйцо оставалось на дне, но чем больше соль растворялась в воде, тем выше поднималось яйцо. (Приложение 5).
Вывод: выталкивающая сила солёной воды больше, чем пресной.