Почему железная лодка не тонет
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.
Почему корабли не тонут
- Почему корабли не тонут
- Как пираты захватили танкер Того
- Почему суда плавают
Почему не тонет корабль
Способность держаться на поверхности воды свойственна не только кораблям, но и некоторым животным. Взять хотя бы водомерку. Это насекомое из семейства полужесткокрылых уверенно чувствует себя на водной глади, перемещаясь по ней скользящими движениями. Такая плавучесть достигается благодаря тому, что кончики лапок водомерки покрывают жесткие волоски, которые не смачиваются водой.
Ученые и изобретатели надеются, что в будущем человек сможет создать транспортное средство, которое будет передвигаться по воде по принципу водомерки.
Но в отношении традиционных судов принципы бионики не действуют. Объяснить плавучесть корабля, сделанного из металлических деталей, сможет любой ребенок, знакомый с основами физики. Как гласит закон Архимеда, на тело, которое погружается в жидкость, начинает действовать выталкивающая сила. Ее величина равна весу воды, вытесняемой телом при погружении. Тело не сможет утонуть, если сила Архимеда превышает вес тела или равна ему. По этой причине корабль остается на плаву.
Чем больше объем тела, тем больше воды он вытесняет. Железный шар, опущенный в воду, тут же утонет. Но если его раскатать до состояния тонкого листа и сделать из него полый внутри шар, то такая объемная конструкция будет держаться на воде, лишь слегка в нее погрузившись.
Суда с металлической обшивкой строят таким образом, чтобы в момент погружения корпус вытеснял очень большое количество воды. Внутри корабельного корпуса имеется множество пустых областей, заполненных воздухом. Поэтому средняя плотность судна оказывается значительно меньше, чем плотность жидкости.
Как сохранить плавучесть судна?
Корабль держится на плаву, пока его обшивка исправна и не имеет повреждений. Но судьба судна окажется под угрозой, стоит ему получить пробоину. Сквозь прореху в обшивке внутрь судна начинает поступать вода, заполняя его внутренние полости. И тогда корабль вполне может затонуть.
Чтобы сохранить плавучесть судна при получении пробоины, его внутреннее пространство стали разделять перегородками. Тогда небольшая пробоина в одном из отсеков не угрожала общей живучести судна. Из отсека, который подвергался затоплению, с помощью насосов откачивали воду, а пробоину старались заделывать.
Хуже, если повреждалось сразу несколько отсеков. В этом случае судно могло утонуть из-за потери равновесия.
В начале XX века профессор Крылов предложил умышленно затапливать отсеки, расположенные в части судна, которая противоположна тем полостям, что подверглись затоплению. Корабль при этом несколько осаживался в воду, но оставался в горизонтальном положении и не мог утонуть в результате переворачивания.
Предложение морского инженера было столь необычным, что на него долгое время не обращали внимания. Только после поражения российского флота в войне с Японией его идею взяли на вооружение.
Почему не тонут лодки и корабли?
Если вы построите деревянный плот, то сможете плыть на нем. Если же вы построите плот из железа или какого-нибудь другого металла, то он пойдет ко дну. Причина того, что деревянный плот не тонет, а железный тонет, кроется в разной плотности дерева и железа. Дерево менее плотный материал, чем вода, поэтому выталкивающая сила воды больше силы тяжести, действующей на деревянный плот (или больше его веса). Железо плотнее воды, и ее выталкивающая сила не способна преодолеть вес железного плота.
В прежние времена корабли и лодки строили в основном из дерева. Сейчас же они преимущественно сделаны из металлов. В чем же фокус? Почему корабли не тонут? Может быть внутри корабля много дерева, и оно «побеждает» железо?
Конечно, если взять большую доску и обшить ее сверху тонким листом металла, то вся конструкция не потонет. Ведь ее средняя плотность окажется меньше плотности воды. Если, например, плотность дерева равна 600 кг/м 3 , и доска имеет массу 100 кг, а железная обшивка имеет плотность 7800 кг/м 3 и массу 10 кг. То общая масса составит 120 кг, а общий объем 100 / 600 + 10 / 7800 ≈ 0,1667 + 0,0013 = 0,168 (м 3 ). Отсюда находим среднюю плотность конструкции 120/0,168 ≈ 714 (кг/м 3 ). Это меньше плотности воды (1000 кг/м 3 ), значит, конструкция будет плавать.
Однако, на самом деле все еще проще. Зачем обшивать дерево? Можно просто оставить внутри пустую полость и сделать так, чтобы туда не попадала вода. Точнее не пустую, а заполненную воздухом. Плотность воздуха всего 1,29 кг/м 3 .
Именно поэтому корабли, сделанные из металлов, плавают. Внутри них существуют большие полости, заполненные воздухом. В результате этого средняя плотность корабля меньше плотности воды, и выталкивающая сила удерживает корабль на плаву.
Если в полости корабля попадет вода, то он конечно же затонет. Чтобы возможность затопления свести на минимум, в подводной части корабля строят перегородки. В результате получаются отсеки, в которых вода из одного не может попасть в другой. Если корабль получит пробоину, то затопится только отсек в месте пробоины. Остальные останутся заполненными воздухом и будут удерживать корабль на плаву.
В любом случае корабль имеет вес. Этот вес равен весу воды, объем которой корабль «занимает» собой в море.
Как известно, корабли плавают не просто так, а перевозят различные грузы и людей. Пустой корабль весит меньше, а значит меньше будет «осаживаться» в море. Если его нагрузить, то корабль осядет в воду глубже. При чрезмерной нагрузке, корабль может вообще уйти под воду и утонуть.
Поэтому на корпусе судов отмечают специальную линию (ватерлинию). Судно не должно погружаться в воду так, чтобы эта линия оказалась под водой. Иначе любая сильная волна, плеснув воду на корму, может легко затопить корабль.
С другой стороны, пустое судно не должно быть слишком легким. Иначе его подводная часть будет слишком маленькой по отношению к надводной. В таком случае волны и ветер могут опрокинуть корабль.
Корабль, загруженный по ватерлинию, вытесняет самый большой объем воды. Вес этой воды называется водоизмещением конкретного судна. Грузоподъемность судна — это разность между водоизмещением и весом пустого судна; или, проще говоря, разность между загруженным кораблем, когда он имеет осадку по ватерлинию, и весом судна без груза.
Почему не тонут корабли?
Когда мы прыгаем в бассейн, мы опускаемся на дно, как камень, брошенный в воду. Но гигантские корабли – балкеры и авианосцы – плавают на поверхности воды. Как это возможно? Почему не тонут корабли?
Большие корабли – такие, как “Петр Великий” (самый большой корабль России) – плывут, а не тонут. С другой стороны, все легкие вещи, такие как шарикоподшипники, мгновенно опускаются на дно. Не размер определяет, плавает ли что-то на воде или тонет. Так в чем же ключ?
Архимед – первый моряк
Все тела на Земле – как над водой, так и под водой – обладают удельным весом. Более 2200 лет назад Архимед заметил, что существует взаимосвязь между весом тела, погруженного в воду, и объемом вытесненной воды. Это так называемый Закон Архимеда заставляет современные корабли плыть по морям и океанам. Но тогда Архимед не думал о кораблях.
Его задачей было оценить, была ли корона Гиерона II, короля Сиракуз, сделана из чистого золота или в ней была примесь серебра. Архимед пришел к выводу, что если бы корона была сделана из чистого золота, она бы занимала меньше места, чем корона с примесью серебра того же веса – это потому, что серебро не такое плотное как золото. Сравнив объем короны, измеренный количеством вытесненной воды, с объемом золота и серебра того же веса, он смог ответить на вопрос короля. Выяснилось, что корона Гиерона II сделана не из чистого золота.
После этого события Архимед начал эксперименты, на основе которых сформулировал закон плавучести. Оказалось, что любые погруженные в воду объекты, в том числе корабли, могут плавать, если вес вытесняемой ими воды равен их собственному весу.
Почему плывут корабли?
Корабли плывут, потому что они полые и имеют правильно распределенный вес. Кусок стали, помещенный на воду, мгновенно утонет, в то время как сталь в форме чаши будет плавать на ней. Это потому, что вес стали сосредоточен на небольшом пространстве, а в форме чаши равномерно распределен.
Именно это делает все корабли похожими по форме. Глубина осадки корабля зависит от формы корпуса и его веса. При заданной загрузке корабля он вытесняет столько воды, сколько объем погруженной части. Глубина погружения каждого корабля определяется при его проектировании – инженеры, располагающие компьютерными моделями корпуса, могут определить, как изменится объём подводной части при дополнительной нагрузке или пассажирской нагрузке.
