города Новосибирска«Кадетская школа- интернат
«Сибирский Кадетский Корпус»
Исследовательская работа по теме
«Почему железные
корабли не тонут?»
Выполнил: ученик 4 «Б» класса
МБОУ КШИ «СКК»
ЕрощенкоАлександр ПетровичРуководитель: Бандурко Наталья Владимировна, учитель первой категории
2016-2017 учебный год
СОДЕРЖАНИЕ
I .Введение……………………………………………………………...
II. Основная часть………………………………………………….…….
II. 1.Из истории кораблестроения……………………..…………………………..............
II. 2. Строение корабля………………………………………………….
III. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………….
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………............
V. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………....
VI .ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………….
Введение
Я учусь в Кадетском корпусе и в будущем мечтаю стать капитаном корабля. Сраннего детства меня интересовал вопрос:-Как так? Бросишь в воду камень,он сразу же начинает тонуть, а большие многотонные корабли держатся на плаву и не тонут. Я решил найти объяснение этого вопроса с помощью познавательной литературы, интернет – ресурсов и опытов.
В моей работе «Почему железные корабли не тонут?» представлены исторические сведения о кораблестроении,об устройстве кораблей. Описание опытов.
Цель моего исследования: выяснить, почему железные корабли не тонут.
Задачи:
1. Собрать информацию о причинах, по которым корабли держатся на плаву.
2. Собрать и проанализировать информацию о плавучести тел.
3 .Провести опыты, позволяющие выяснить условия, при которых тела плавают в воде.
4. Сделать выводы, выполнить презентацию, представить свою работу одноклассникам.
Гипотезы:
1 . А что если корабли не тонут из – за своей формы?
2 . Стальные корабли не тонут, потому что они легче воды, так как в них есть воздух.
Объект исследования: причины плавания кораблей.
Предмет исследования: изучение взаимодействия жидкости и предметов, помещённых в неё.
Методы исследования:
Анализ литературы, Интернет – ресурсов и других источников;
Проведение опытов
Практическая значимость : не всегда можно найти ответ на поставленный вопрос в учебнике. Появляется потребность получить этот ответ из жизненного опыта, наблюдений за окружающей действительностью, из результатов собственных экспериментов, которые позволяют расширить знания по данной теме, готовить и самостоятельно демонстрировать опыты, объяснять их результаты. Данная работа дает возможность сформировать представление об архимедовой силе, продолжить формирование умений устанавливать причинно-следственные связи между фактами, явлениями и причинами, также результаты исследования могут быть использованы на уроках окружающего мира, при проведении классных часов, внеклассных мероприятий.
Проблема исследования: почему же такие огромные и тяжёлые корабли не тонут? Что позволяет им не только держаться на воде, но и перевозить тяжёлые грузы?
II. Основная часть
II.1. Из истории кораблестроения
Люди с давних времён хотели научиться плавать. Первыми плавательными средствами были связанные брёвна, плоты и челноки, выдолбленные из брёвен. Постепенно плавательные средства улучшались.
Существует финикийская легенда о первом мореходе. Им был тирийский дровосек Ус. Однажды Ус настолько увлекся работой, что не заметил, как лес загорелся и он оказался в огненном полукольце. Пожар был сильный, так что пробиться сквозь него было невозможно. Что делать: утонуть в море или сгореть заживо? Ус выбрал первое: он срубил высокий кедр, очистил его от веток, столкнул на воду и устремился на нем в море.Так был найден способ преодолевать моря и океаны. Не исключено, что бревно или, скорее всего, несколько бревен, скрепленных между собой (плот), и были «первым плавающим кораблем». Во всяком случае, плот был известен всем народам и сохранил свою популярность и в эпоху весел, и в наше время.
Плот - самое надежное плавучее средство передвижения. Он не может утонуть, даже если бы пытался. Но у плота есть и недостатки: он малоскоростной и плохо управляемый, не спасает от непогоды. И люди обращаются к другому древнейшему плавучему средству - лодке.
Человек быстро понял, что для мореходства годятся всевозможные материалы, и начал изобретать самые разнообразные плавательные средства. Долгое время именно судостроение, прошедшее путь от примитивных плотов и долбленых пирог до великолепных клиперов, было ведущей силой технического прогресса, а нужды навигации направляли развитие науки - астрономии, математики, механики. В 19 веке паровые двигатели заменили парус, а вместо дерева начали использовать сталь. В настоящее время корабли представляют собой огромные лайнеры и авианосцы, которые бороздят просторы мирового океана и могут месяцами не заходить в порт.
II.2. Строение корабля
У каждого корабля своё предназначение, но у любого судна есть основные части: корпус корабля, нос, корма. Корабль имеет продолговатую форму, чем-то напоминающую глубокую тарелку. Палубы на корабле закрывают его как крышки. Также, я узнал, что на корабль наносится специальная линия (ватерлиния – контрольная отметка, до которой можно загружать судно). Если она видна над поверхностью воды, то беспокоиться не стоит. Если линия скрылась под водой - вероятность его затопления возрастает.К какому бы виду или классу не относилось плавательныесредство, ему присущи общие элементы конструкции. В первую очередь, конечно, корпус, на котором установлены надстройки различного назначения, мачты и рубки. Важным элементом всех судов являются двигатели и движители, в общем, силовые установки. Для жизнедеятельности плавательныесредства имеют значение устройства, системы, электрооборудование, трубопроводы и оборудование помещений.
Носом называется передняя, кормой – задняя оконечности корпуса, его боковые поверхности – бортами . Правый борт по ходу движения моряки называют штирбортом , левый – бакбортом .
Нос корабля Корма
Дном или днищем называется нижняя часть корабля, палубами – горизонтальные перекрытия. Трюм корабля – это самое нижнее помещение, которое находится между днищем и нижней палубой. Межпалубное пространство называется твиндеком.
Палуба Трюм
Твиндек Трюм
Тип судна обуславливает и форму корпуса, и его размеры. Корпус корабля состоит из набора и обшивки. Переборки и палубы – это элементы, присущие определенным типам судов. Обшивка может быть изготовлена из дерева, как в древности и сегодня, пластмасс, сваренных между собой или склепанных стальных листов или даже железобетона. С внутренней стороны для поддержания прочности и формы корпуса обшивка и палуба подкреплены набором жестко скрепленных между собой балок, деревянных или стальных, которые располагаются в поперечном и продольном направлениях. В оконечностях корпус чаще всего заканчивается прочными балками: в корме - ахтерштевнем , а в носу - форштевнем . В зависимости от типа судна обводы носовой части могут быть разными. От них зависит уменьшение сопротивления движению судна, обеспечение маневренности и мореходных качеств.Подводный нос корабля уменьшает сопротивление воды, а значит, увеличивается скорость судна, и уменьшается расход топлива. А на ледоколах форштевень сильно наклонен вперед, за счет чего судно наползает на лед и разрушает его своей массой.
Строение корабля – не только корпус и надстройки, это еще и судовые устройства, специальное оборудование и палубные механизмы, обеспечивающие эксплуатацию судна. Без рулевого или якорного устройства не представляют корабль даже люди, далекие от кораблестроения. А еще на каждом судне есть буксирное, швартовое, шлюпочное, грузовое устройства. Все они приводятся в действие и обслуживаются палубными вспомогательными механизмами, к которым относятся рулевые машины, буксирные, грузовые и шлюпочные лебедки, насосы и многое другое. Судовые системы – это многие километры трубопроводов с насосами, приборами и аппаратами, при помощи которых откачивается вода из трюмов или стоки, подается питьевая вода или пена при пожаре, обеспечивается отопление, кондиционирование и вентиляция. Механизмы машинного отделения обслуживаются топливной системой для питания двигателей, воздушной для подачи сжатого воздуха, охлаждения двигателей. С помощью электрооборудования обеспечивается освещение на судне и работа механизмов и устройств, которые питаются от судовой электростанции.
Изучив данную информацию, мне по прежнему осталось непонятно – почему под водой мы можем поднять с легкостьюкамень, который с трудом поднимаем в воздухе. Если погрузить пробку подводу и выпустить её из рук, то она всплывёт. Когда мы плаваем в воде нашетело выталкивает на поверхность какие-то силы. Как можно объяснить этиявления? Почему такие большие корабли, сделанные из металла, перевозяттяжелые грузы, плавают и не тонут? Для выяснения этих вопросов я провел опыты, описанные в практической части.
Практическая часть
Опыт № 1 «Плавучесть разных материалов»
Определяем плотность.
Опыт 1. Все мы знаем, что, если бросить в воду деревянную доску, то она будет лежать на ее поверхности, а вот металлический лист такого же размера сразу начинает тонуть. Почему так происходит? Это определяется не весом предмета, а его плотностью. Плотность – это масса вещества, заключенная в определенном объеме.
Опыт 2. А, что произойдет, если кубики опустить в воду? Как видно из опыта камень и металл утонули – их плотность больше плотности воды, а пенопласт и дерево нет – их плотность меньше плотности воды. Значит, любой предмет будет плавать, если его плотность меньше плотности воды.
Следовательно, корабль, чтоб он держался на воде, надо сделать так, чтобы его плотность была меньше плотности воды. Предположим, делать его из такого материала, который имеет плотность меньше плотности воды и не тонет – например, из дерева. Из истории мы знаем, что человек именно из дерева делал вначале плоты, а затем лодки, используя свойство дерева–плавучесть. Сегодня мы видим много кораблей сделанных из металла, но они не тонут. Причина в том, что их корпус наполнен воздухом. Воздух намного менее плотное вещество, чем вода. У корабля образуется, как бы общая, суммарная плотность воздуха и металла. В результате этого средняя плотность корабля вместе с огромным объемом воздуха в его корпусе становится меньше плотности воды. Потому-то и не тонет тяжелый корабль. Подтвердим это опытом.
Опыт 3. Мы взяли кубики одинакового размера 70×40х50 мм из разного материала - металл, дерево, камень и пенопласт и взвесили их. И увидели, что кубики имеют разный вес, а следовательно, и разную плотность. Вес кубика из: камня –264г, пенопласта - 3 г, металла - 1020 г, дерева – 70 г.
Отсюда сделали вывод, что из кубиков самый плотный материал – это металл, затем камень, дерево и пенопласт.
Опыт 4. Опустим в воду плоский лист металла – он сразу же тонет, а любая посудина с бортами остается на плаву - в ней образуется запас плавучести. Туда даже можно положить груз. Так же действует спасательные средства: жилет или круг, одетый на человека. С их помощью удается удержаться на плаву до прибытия спасателей.
Выталкивающая сила
Кроме того на погруженное в воду тело действует выталкивающая сила. На рисунке мы видим, что на тело со всех сторон действуют силы давления.
Опыт 5. Мячик с воздухом внутри, погруженный в воду, с силой вылетает из нее вверх. Это действует на мяч выталкивающая сила (сила Архимеда). Она то и удерживает корабль на плаву и позволяет кораблю плавать.
1-Силы поддержания; 2-Давление воды на борт судна. Отчего же зависит действие выталкивающей силы? Первое – это от объема корабля и второе - от плотности воды, в которой корабль плавает. Эта сила тем больше, чем больше объем погруженного тела. Проверим это опытом.
Опыт 6 . Положим на плавающую доску небольшой груз –они тонут. А вот объем надувной лодки значительно больше, и она может выдержать даже несколько человек. Второе - выталкивающая сила меняется с увеличением плотности воды. Плотность воды можно увеличить, если ее сильно-сильно посолить. Докажем это следующим опытом.
Опыт 7. Мы залили шарики желтый и оранжевый в соленую воду и опустили их в пресную воду аквариума – они утонули. А зеленый и синий шарики с пресной водой – остаются наплаву. Следовательно, плотность соленой воды увеличилась.
Опыт 8. Опустим картофелину в емкость с солений водой – она остается на плаву. Затем опустим картофелину в емкость с пресной водой –она утонула.
Из проведенного опыта видно, что в соленой воде на плаву удерживаются те предметы, которые прежде тонули.
На основании проведенного исследования можно сделать выводы о том, что железные корабли не тонут и плавают потому, что :
1. Корабль обладает достаточным запасом плавучести.
2 .На корабль действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной кораблем. Согласно выводам Архимеда на всякое тело, погружённое в жидкость, постоянно действует выталкивающая сила и величина её равна весу вытесненной этим телом воды. Если эта архимедова сила больше или равна весу тела, то оно не утонет. Корабли не тонут именно по этой причине. Нетрудно догадаться, что тело большого размера (объёма) вытеснит значительно больше воды, чем маленькое тело одинакового с ним веса и если утюг «раскатать» в достаточно тонкий лист фольги, то, аккуратно опущенный на поверхность воды, он будет на ней держаться. Железные суда проектируют и строят с таким расчётом, чтобы при погружении они вытесняли огромное количество воды, вес которой равен их весу в загруженном состоянии (это называется водоизмещением корабля) . В этом случае на них будет действовать выталкивающая архимедова сила соответствующей величины. Вот одна из причин, почему корабли не тонут. Можно объяснить, почему корабли не тонут, немного по-другому: тела, плотность которых меньше плотности воды, свободно плавают по её поверхности. Корабль внутри имеет множество пустых, наполненных воздухом помещений и средняя его плотность значительно меньше плотности воды. Поэтому корабли не тонут.
III. Заключение
Из литературы и Интернет- источников я узнал много интересного о кораблях и их способности держаться на поверхности воды.В ходе своего исследования я выяснил, что ошибался, когда думал, что в кораблестроении используются специальные лёгкие материалы. Но мои предположения о том, что стальные корабли не тонут, потому что имеют особую форму, оказались верны.Ещё я выяснил, что широкие корабли с высокими бортами вытесняют огромный объём воды, а чем больше объём воды, тем больше её отталкивающая сила. Это закон, который сформулировал древнегреческий учёный Архимед. Именно эта сила позволяет кораблям держаться на поверхности воды и перевозить многотонные грузы.
Список используемой литературы
Большая иллюстрированная энциклопедия школьника М. «МАХАОН», 2003 – 51 с.
А. Дитрих, Г. Юрмин, Р. Кошурникова «Почемучка» М. «Педагогика», 1991 – 160-164 с.
Л.А. Горев "Занимательные опыты по физике" М. Просвещение, 1985– 27-31.
Сахарнов С. В. Плывут по морям корабли [Текст] / С. В. Сахарнов, К. Д. Арон // «Едем, плаваем, летаем». – Москва: «Детская литература», 1993. – С. 7-36.
Приложение1
Легенда об Архимеде
Сила тяжести, действующее на тело, всегда направлена вниз и обусловлена
притяжением Земли. Однако на тело, погруженное в жидкую или
газообразную среду, действует еще какая–то сила, направленная вверх,
против силы тяжести. Эта сила называется выталкивающей силой Архимеда
– по имени древнегреческого учёного Архимеда, открывшего закон
плавающих тел. Этот закон гласит, что на тело, погруженное в жидкость,
действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим
телом. Согласно легенде, Гиерон, тиран Сиракуз, поручил Архимеду
выяснить, сделана ли его корона целиком из золота или же в нее подмешано
серебро. Эта задача занимала Архимеда довольно долго, пока не помог
случай. Однажды, принимая ванну, Архимед заметил, что чем больше он
погружается в воду, тем больше воды выливается из ванны. Он понял, что
это явление даст ему ключ к разгадке задачи, в восторге выскочил из ванны и
побежал по городу, восклицая: «Эврика, эврика!» (Нашёл, нашёл!). Для того,
чтобы раскрыть мошенничество с короной, Архимед применил следующий
метод: он опустил в сосуд, наполненный водой, золотой слиток того же веса,
что и корона, а потом собрал и взвесил вылившуюся воду. Потом он опустил
в сосуд слиток серебра того же веса, что и корона и нашёл, что воды
вылилось больше. Это объясняется тем, что при одинаковом весе объём
серебра превышает объём золота. Повторив опыт с короной вместо слитков,
Архимед получил результат, лежащий где–то посередине между
результатами двух предыдущих опытов.
После этого он заключил, что корона сделана не из чистого золота. Таким образом, Архимед заложил основы гидростатики - одного из разделов механики.
Приложение 2
Опыт №1.
Опыт№2.
Опыт№3.
Опыт№ 4 .
Опыт №5.
Опыт№6.
Опыт№7.
Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Эммаусская СОШ»
Калининский район
Почему корабли не тонут?
Выполнил обучающийся 1 «Б» класса:
Хорьков Антон
Руководитель: Галашан Т.А.,
учитель начальных классов
Эммаусс
2015 г.
Содержание
1.Введение ………………………………………………………… 3
2. Основная часть …………………………………………………. 4 - 6
1) История вопроса
2) Почему корабли не тонут – проведение опытов;
3) Модели кораблей.
3. Заключение ………………………………………………………. 7
4. Список использованной литературы ………………………….. 8
5. Приложение …………………………………………………….. 9 - 11
http://
http://
Следующий этап сводим противоположные углы получившегося треугольника.
У нас должна получиться фигура как на рисунке.
У получившегося треугольника сводим противоположные углы и последнее, берёмся за верхние уголки и разводим их в стороны.
Модель 2. Лодочка.
Модель 3. Пароход.
Модель 4.
Для изготовления нам понадобится квадратный лист бумаги.
Подгибаем все 4 угла к центру листа и это действие производим еще два раза.
Окончательно переворачиваем нашу конструкцию, отгибаем и раскрываем два противоположных квадратных «гнёздышка».
Два других противоположных «гнёздышка» оттягиваем в стороны за уголки.
Сделайте несколько корабликов оригами разного цвета и размера. Советуем вам делать кораблики из бумаги, которая плохо впитывает воду, чтобы они дольше не размокали в воде. Еще можно окунуть бумажные кораблики в расплавленный пчелиный воск или парафин, тогда они станут водонепроницаемыми.
Волков Александр
данная исследовательская работа учащегося 1 класса ставит своей целью понять, почему корабль не тонет.
Скачать:
Предварительный просмотр:
КОМИТЕТ ПО ОБРАЗОВАНИЮ
.
АДМИНИСТРАЦИИ ГОРОДСКОГО ОКРУГА «ГОРОД КАЛИНИНГРАД»
МАОУ лицей №17
Лицейская ученическая научно-практическая конференция
«Познание и творчество»
«Почему корабль не тонет?»
Исследовательская работа
Волков Александр,
ученик 1 « В» класса
МАОУ лицея № 17
г. Калининграда
Руководитель
Скапец Татьяна Владимировна
Калининград, 2014
Цель : понять, почему корабль не тонет.
Задачи :
- узнать, какие предметы тонут, а какие – нет,
- узнать, что такое плотность,
- узнать, что такое выталкивающая сила веществ,
- узнать, какие условия необходимы для плавания кораблей.
Методы исследования : эксперимент, наблюдение.
Практическая значимость : результаты исследования позволят больше узнать об окружающем мире, помогут в повседневной жизни
Как-то раз я заметил, что одни предметы тонут в воде, а другие нет. Например, камень, брошенный в воду, тут же пойдет на дно, а деревяшка будет плавать или небольшой гвоздь утонет, а огромный корабль – нет. Я задался вопросом, почему так происходит.
- Утонет или не утонет?
Чтобы узнать какие предметы тонут, а какие нет, проведем эксперимент.
Эксперимент №1 «Утонет или нет?»
Нам понадобится : Емкость с водой, предметы для испытания.
Ход эксперимента : Поочередно опускаем в емкость с водой предметы для испытания и наблюдаем что происходит.
Предмет | Вещество | Тонет | Не тонет |
линейка | дерево | ||
линейка | пластмасса | ||
ложка | металл | ||
блюдце | фарфор | ||
шарик | стекло |
Вывод: Есть предметы, которые тяжелее воды, они тонут, и есть предметы легче воды, они всплывают.
- Плотность веществ.
Плотность вещества – это величина, показывающая, какая масса содержится в единице объема данного вещества.
Давайте представим себе килограмм ваты. И сразу перед глазами встанет некий достаточно большой ком. А килограмм железа выглядит достаточно компактно. Почему же эти тела имеют столь разный объем? В дело в плотности вещества.
Все вещества состоят из маленьких шариков – атомов и их соединений – молекул. Чем ближе атомы расположены друг к другу, тем плотнее вещество.
Следующий эксперимент покажет нам, что плотность веществ может изменяться.
Эксперимент № 2: «Плотность воды»
Нам понадобятся : стакан с чистой водой (неполный), сырое яйцо и соль.
Ход эксперимента : Поместим в стакан яйцо, если яйцо свежее - оно опустится на дно.
Теперь аккуратно насыпем в стакан соль и понаблюдаем, как яйцо начнет всплывать.
Почему это происходит? В яйце есть воздушный пакет, и при изменении плотности жидкости яйцо всплывает к поверхности на манер подводной лодки.
Вывод: С помощью соли мы изменили плотность воды. Соль растворилась в воде: молекулы воды и соли смешались и плотность воды стала выше плотности яйца ⇒ яйцо всплыло.
Также можно сделать вывод об условиях плавания тел:
- Если плотность тела равно плотности жидкости, то тело плавает на любой глубине в жидкости.
- Если плотность тела больше плотности жидкости, то тело тонет в жидкости.
- Если плотность тела меньше плотности жидкости, то тело всплывает.
- Закон Архимеда или выталкивающая сила воды.
На тело, погруженное полностью или частично в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости, вытесненной телом.
Следует заметить, что тело должно быть полностью окружено жидкостью (либо пересекаться с поверхностью жидкости). Так, например, закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне емкости, плотно прикасаясь ко дну.
Проведем еще один эксперимент.
Эксперимент №3 «Плавучесть зависит от формы»
Нам понадобится : емкость с водой, пластилин.
Ход эксперимента : Опустим кусок пластилина в емкость с водой. Наблюдаем результат: пластилин утонул.
Достанем этот же кусок пластилина из воды и придадим ему другую форму. Теперь еще раз опустим пластилин в воду. Что произошло? Пластилин плавает.
Почему так произошло? Мы придали пластилину нужную форму и средняя плотность пластилиновой лодочки (пластилин + воздух) стала меньше плотности воды ⇒ пластилин плавает.
Вывод: Тела, которым придали форму, независимо от их плотности, останутся плавать на поверхности воды.
- Как устроены корабли?
В процессе своей исследовательской работы я выяснил, что тело будет плавать, если средняя плотность всех составляющих тела будет меньше плотности жидкости. Я решил попробовать сделать свою модель корабля и проверить будет ли она держаться на воде.
Эксперимент №4 «Корабль плавает!»
Нам понадобится : Емкость с водой, самодельный корабль.
Ход эксперимента : В таз с водой опускаем самодельный корабль. Наблюдаем что происходит.
Итак, чтобы построить плавательное средство, нужно знать: плавательное средство должно вытеснять как можно больше воды своим днищем; обязательно нужно учитывать плотность материала, из которого делается кораблик (все вещества, менее плотные, чем вода, плавают на её поверхности); нельзя допускать попадания воды внутрь корабля, иначе он потонет.
Вывод: Стальной корабль не тонет, потому что он вытесняет много воды. А мы знаем, чем больше какой-то предмет вытесняет воды, тем сильнее она выталкивает его. (Архимед)
В ходе проведения своей исследовательской работы я узнал много нового о строении тел, плотности, плавучести.
Выводы:
- На основании проведенного исследования можно сделать вывод о том, что корабли не тонут, потому что на них действует выталкивающая сила (закон Архимеда )
- Корабль будет находиться на плаву до тех пор, пока его вес будет меньше или равен весу вытесненной им жидкости. Корабль может затонуть, если вода попадет внутрь (например, через пробоину), вытеснив воздух, и средняя плотность корабля станет больше плотности воды
- Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости. Следовательно, в море, где вода солёная (с большей плотностью), выталкивающая сила, действующая на корабль больше, чем в реке или озере, где вода пресная.
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.
Как известно, корабли строят из металла и они очень тяжелые. Железные гвозди тоже производят из металла, по сравнению с кораблями они легкие, 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, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объеме тела. Чтобы убедиться в действии выталкивающей силы, достаточно погрузиться в ванну, наполненную до краев. Тело вытолкнет часть воды вверх, и она прольется 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 тяжелые, 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 объеме 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 объеме воды меньшем, чем объем самого тела, если его средняя плотность меньше, чем плотность воды. Проявление этого парадокса в том, что массивное тело (то есть плавательное средство) может плавать в объеме воды намного меньшем, чем объем самого тела.
Понятия водоизмещения и ватерлинии
Корабль не тонет потому, что в отличие от гвоздя обладает водоизмещением. Водоизмещение — это количество (вес или объем) 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. Груженое судно погружается в воду глубже. При повышенной нагрузке чрезмерное погружение в воду чревато затоплением — судно уйдет 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 нее 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 легким, 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 расчетом, 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, объемом и плотностью. Тела, плотность которых меньше плотности воды, свободно плавают по ее поверхности. Как известно, плотность обратно пропорциональна объему и прямо пропорциональна массе, что отражает формула ρ=m/v. То есть при неизменной массе тела, чтобы уменьшить плотность, требуется пропорционально увеличить его объем. Последнее утверждение можно представить следующим примером.
Железный шарик тонет в воде, потому что у него большой вес, но маленький объем. Если этот шарик расплющить в тонкий лист, а из листа сделать большой, внутри пустой шар, то вес не увеличится, а объем 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 нем будут наполняться водой — вода тяжелее воздуха — это приведет к нарушению баланса между весом судна и объемом — и он пойдет 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 объема плавательного средства, а во-вторых — от плотности воды, в которой судно плавает.
Эта сила тем больше, чем больше объем погруженного тела.
После физики — немного лирики
Корабль и волны
На море шторм, девятый вал
И волны бьются о корабль.
Он плыл себе, беды не зная,
А волны быстро догоняли.
Еще мгновение, и два —
И в корабле одна вода.
Он постепенно шел ко дну
И, скрывшись в море, затонул…
И долго ветер бушевал,
Он гнев природы вымещал.
Но, наконец, затихли волны,
Природа вновь стала довольной.
Но люди впредь не засмеются,
Сердца их больше не забьются…
Все стихло, гладь как зеркала,
Но ни людей, ни корабля…
/Л. Ш., 1991 год/
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.
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.