за счет чего корабль держится на плаву
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 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.
На чем основано плавание судов по воде. Действие силы Архимеда
Содержание:
Легко смириться с фактом, что небольшая деревянная лодка выдерживает вес пары взрослых мужчин с рыбацким снаряжением. Понять, как не тонут многотонные металлические боевые корабли и танкеры с контейнерами, человеческому мозгу сложно. Это до момента, пока у ребёнка нет знаний физических законов, объясняющих на чем основано плавание судов. Разберёмся, за счёт каких сил и явлений тяжёлые на первый взгляд предметы не тонут в жидкости, а масло всегда держится на поверхности воды.
Закон Архимеда
Уже тогда была известна формула вычисления объёма тел при известных массе и плотности. С весами проблемы не было, а определить объём сложного украшения крайне сложно, не переплавив его в слиток.
Архимед долго размышлял над задачами, пока не погрузился в ванную, откуда выплеснулась вода. Он понял, что собственное тело вытесняет столько жидкости, сколько само занимает в пространстве. Учёный выскочил из дома и без одежды с криком «Эврика» побежал к правителю поделиться соображениями. Он понял, что, погрузив в воду кусок золота, равный короне весом, можно определить факт обмана.
Инженер сделал открытие, носящее название закон Архимеда: погруженное в жидкость либо газ, тело выталкивается с силой, равной массе вытесненного телом жидкого или газообразного вещества. Эта выталкивающая сила называется гидростатической либо архимедовой. Действует она только в условиях гравитации, в невесомости – нет.
Если помещённое в жидкость тело плавает, значит значение выталкивающей силы по модулю больше гравитации.
Плавучесть судна
Плавание судов и воздухоплавание объясняются законом Архимеда. В покое давление в жидкости объясняется ударами перемещающихся молекул одна о другую. При погружении предмет вытесняет часть жидкости. Молекулы будут ударяться о предмет. Если боковые силы уравновешиваются, то оказываемое снизу давление выталкивает тело наверх. И с ростом глубины сила Архимеда растёт – чем глубже предмет, тем сильнее выталкивающая его сила.
Почему стальные судна, в разы плотнее воды, не тонут в ней? Количество вытесняемой ими жидкости равняется объёму находящегося в жидкости металла (корпуса) и воздуха, который содержится в нём. Сталь плотнее воды всего в 7,8 раз, а воздух – реже неё приблизительно в 770 раз. Фактическая плотность погруженного в воду корабля в разы меньше, чем воды, поэтому жидкость выталкивает его наверх.
Что такое масса воды, вытесняемая плавающим судном
Водоизмещение – масса воды, вытесняемой погруженной частью плавающего судна. Она весит столько, сколько корабль, независимо от габаритов. Водоизмещение оказывает влияние на загруженность судна, на дальности плавания судна не сказывается.
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
