За счет чего судно держится на воде
Почему корабли не тонут
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 корабль держится на воде
Кораблю помогают не тонуть законы физики
Плавучесть судна определяется законом Архимеда: жидкость выталкивает тело с силой, равной весу жидкости в объеме погруженной в нее части тела. Основная хитрость здесь заключается в объеме – чем больше объем корабля, тем более толстыми можно сделать его металлические борта и тем больше дополнительного груза он может взять на борт, оставаясь при этом на плаву. Так получается потому, что основной внутренний объем корабля заполнен воздухом, который в 825 раз легче воды. Именно воздух придает плавучесть кораблю.
По этому же принципу возможно погружение и всплытие подводных лодок – при погружении балластные цистерны заполняются водой, лодка теряет плавучесть и погружается. При всплытии – в них подают воздух под давлением, вытесняющий воду. По этому же принципу плавает в ванне металлический тазик – внутри него находится воздух, занимающий большую часть всего объема тазика. Если же внутренний объем тазика заполнить камнями или металлом – он утонет, потому что вес его станет слишком большим.
Видео
Правила морехода
В настоящее время довольно распространенно использование компьютерных программ при погрузке продукции на судно. Программа берет на себя расчеты размещения груза. Основное правило, которому следует компьютер, — это сохранение плавучих качеств корабля. То есть погрузка должна осуществляться равномерно, чтобы не перегрузить один из бортов, что сместит центр тяжести и потопит судно.
На корабле есть ответственный за погрузку человек. Чаще всего это старший помощник капитана. Распределение веса на судне должно идти таким образом, чтобы наиболее тяжелые грузы размещались в трюме, а более легкие — на палубе корабля. Еще одним из важнейших правил является закрытие отсеков во время пробития борта корабля. При нормальном состоянии каждый из отсеков открыт, однако в случае пробоя, отделение герметизируется закрытием двери. Проектирование корабля осуществляется таким образом, чтобы не создавать слишком большие отсеки, а разбивать все пространство на несколько мелких.
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.
Почему вода не попадает внутрь корабля
Конечно, если в полости попадет вода, то корабль неизбежно пойдет ко дну. Чтобы этого не произошло, в той части конструкции, которая располагается под водой, делаются перегородки. В итоге образуются отсеки. При этом делаются они герметичными. Благодаря этому, вода, попавшая в один отсек, не может попасть во второй. Если же в корпусе появилась пробоина, то судно ко дну не пойдет. Затоплен будет только тот отсек, куда поступает вода. Остальные же останутся заполнены воздухом.
Средняя плотность тела и воздух
Тело плавает, когда его вес и выталкивающая его из воды сила, называемая силой Архимеда, уравновешены. Сила Архимеда зависит от плотности и объёма тела. В нашем случае брусок – неоднородное тело. Сначала оно состоит из целлюлозы и воздуха, который находится внутри него. Впоследствии – из целлюлозы и воды. Его объём остался неизменным. А плотность изменилась.
Средняя плотность физического тела – это отношение массы тела к его объёму.
Плотность тела вычисляется по формуле:
где m – масса тела,
Чтобы вычислить среднюю плотность тела, нужно сложить массы всех его составляющих и разделить на объём.
Очевидно, что пока брусок не пропитался водой, его средняя плотность была ниже плотности воды. Соответственно, выталкивающая сила была больше его веса. И он плавал. Но как только вода заменила воздух, плотность возросла, и выталкивающая сила стала меньше веса бруска. Он начал тонуть.
Подобное можно увидеть, наблюдая за поваленными деревьями, упавшими в воду. Сначала они остаются на плаву. Но со временем намокают и тонут. Так же будет вести себя и деревянный плот, если вода проникнет внутрь брёвен.
Пустая стеклянная банка, закрытая крышкой, плавает на поверхности воды, так как её средняя плотность значительно ниже плотности воды, и она выталкивается на поверхность силой, равной весу самой банки с воздухом. Но стоит только открыть крышку, как вода начнёт заполнять банку, и она будет опускаться всё ниже и в конце концов утонет. Подобрав определённое количество воды, можно сделать так, что средняя плотность банки будет равна средней плотности воды. В этом случае она будет плавать на любой глубине.
Рыба плавает, потому что средняя плотность её тела вместе с воздухом примерно такая же, как и плотность воды. Изменяя с помощью мышц объём своего пузыря, она изменяет среднюю плотность, и таким образом всплывает или погружается.
Человек удержится на плаву, если в его лёгких будет достаточное количество воздуха, которое попадает туда при вдохе. При полном вдохе средняя плотность тела меньше плотности воды. А при выдохе – больше. Поэтому, научившись правильно дышать в воде, можно научиться плавать. Нужно сказать, что в морской воде плавать легче, чем в речной, так как плотность воды в море выше, чем в реке.
Обязательные правила морехода
Чтобы избежать смещения центра тяжести, при загрузке современных кораблей используются компьютерные программы, помогающие просчитать – куда и сколько груза можно поместить, чтобы сохранить мореходные качества судна. Ответственным за правильное размещение груза является старший помощник капитана. Он командует погрузкой и в соответствии с расчетами, самые тяжелые грузы размещаются в трюмах, а более легкие – на палубе. Груз на корабле обязательно «найтовится», то есть привязывается. Это нужно, чтобы во время шторма он не перекатывался по трюмам и не изменял центр тяжести судна.
Интересно: Силы и частицы или фундаментальное взаимодействие — описание, фото и видео
Весь корпус корабля разделен на герметичные отсеки. В нормальном состоянии перегородки между отсеками открыты. Когда корабль получает пробоину – тот отсек, где она расположена, перекрывается герметичными перегородками, чтобы вода не могла заполнить весь корпус.
Опасно во время шторма разворачивать корабль «лагом к волне», то есть боком. Слишком велика вероятность, что сильная волна перевернет корабль. Также опасна и волна в корму. Поэтому часто океанские суда во время сильных штормов начинают двигаться носом против волн, уходя с намеченного курса – это самый безопасный для корабля способ пережить непогоду. И только после окончания шторма они возвращаются на нужный курс.
Плавучесть и остойчивость судна – это основные его качества, обеспечивающие безопасность. Поэтому правила, помогающие сохранить их – обязательны к соблюдению. А конструкторские решения, способствующие их улучшению, всегда приветствуются.
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 корабль держится на воде
Еще до нашей эры люди научились строить суда для своих нужд. По заверениям историков, большой флот кораблей существовал у древних египтян и китайцев.
Кораблями пользовались для участия в боевых действиях и для перевозки товаров на продажу. Восточные славяне научились возводить суда с помощью каркасов, которые обтягивали кусками кожи. Современные корабли построены из толстого металла, который устоит перед ударом самых мощных орудий.
Как древние, так и современные суда объединяет один факт. При всей свей массе они отлично держаться наплаву. Почему же не тонут эти громоздкие сооружения?
Всевозможные разновидности судов удерживаются на плаву благодаря способности воды выталкивать объекты. Толща воды давит снизу вверх и удерживает судна на поверхности.
Плавучесть кораблей зависит от нескольких факторов, в том числе от прочности судна и его формы. В любом случае судно будет держаться на поверхности водоема, если объем жидкости, который он вытесняет, имеет большую массу, чем сам корабль. Все плавучие средства проектируются и строятся с учетом этого правила.
Закон о способности воды выталкивать предметы придумал и сформулировал древнегреческий ученый Архимед. Чтоб тяжелый корабль не утонул, в его корпус закачивают воздух. Также конструкция корабля предусматривает высокие борта. Так как воздух легче, чем вода, он помогает судну держаться на воде и не тонуть.
Подводные лодки имеют специальные цистерны для балласта. При погружении цистерны наполняются водой, а при всплытии – воздухом.
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
