Плавання суден. Плавання суден

Кожен школяр знає, що якщо кинути камінь у воду, то він потоне. З іншого боку, корабель, який зроблений з важкого металу, плаває на поверхні води. Чому одні тіла тонуть, а інші плавають? На це питання відповість стаття, в якій докладно розглядається плавання суден.

Рідина і тиск в ній

Фізики 7 класу плавання судів розглядають після того, як вивчено особливості будови і властивості рідин. Остання являє собою проміжне між газами та твердими тілами агрегатний стан речовини. Рідина здатна зберігати обсяг, як тверде тіло, і вона є текучою субстанцією, як газ.

Молекули рідини хаотично переміщаються по всьому об’єму. Наявність у них кінетичної енергії, порівнянної з потенційною, обумовлює існування тиску на кожний елементарний об’єм всередині рідини. Оскільки переміщення молекул є рівно імовірними, то загальний тиск на розглянутий елементарний об’єм виявляється рівним нулю (всі компоненти тиску компенсують один одного).

Тим не менш багато хто знає, що занурення під воду створює больові відчуття в області вушних перетинок. Це тиск не має ніякого відношення до розглянутого вище молекулярного тиску. Воно пов’язане виключно з силою тяжіння нашої планети.

Будь-яке тіло, має масу і тисне на поверхню, на якій воно стоїть, або розтягує підвіс. Мова йде про вагу тіла. В рідини цей вага проявляється у вигляді тиску верхніх шарів у нижні. Воно отримало назву гідростатичного. Математичне вираження для розрахунку цього тиску має наступний вигляд:

P = ρl*g*h

Тобто гідростатичний тиск лінійно залежить від глибини занурення h і від щільності рідини ρl. Саме цей тиск є причиною плавання суден.

Давньогрецький філософ і його закон

Згідно однієї з легенд, король деякого давньогрецького поліса доручив Архімедові визначити, його корона виготовлена з чистого золота, або ж майстер його обдурив і замість золота додав срібло в сплав. Архімед успішно впорався з цим дорученням, зануривши корону в посудину з рідиною і довівши тим самим підробленість вироби. Фізичний закон, який філософ використовував, отримав в даний час його ім’я.

Закон Архімеда свідчить, що будь-яке занурене в текучу субстанцію тіло відчуває виштовхуючу силу, модуль якої дорівнює вазі витісненої субстанції, а вектор спрямований вгору. Відповідна сила отримала назву до архімедового.

Причиною появи до архімедового сили є різниця між гідростатичним тиском, що діє на нижню поверхню твердого тіла, яке занурене в текучу субстанцію, і тиском, що діє на верхню поверхню тіла. Різниця величин цих параметрів обумовлена різною глибиною, на якій знаходяться верхня і нижня частини тіла (див. формулу в попередньому пункті).

Сила Архімеда FA визначається за формулою:

FA = ρl*g*Vl

Де Vl – об’єм рідини, витісненої зануреним в неї тілом. Цю формулу можна отримати самостійно, якщо скористатися виразом для гідростатичного тиску і згадати, що сила є твором тиску на площу впливу.

Чому суду плавають?

Відповісти на це питання можна, якщо розглянути фізичні сили, діючі на занурений в рідину твердий предмет. Неважко здогадатися, що цих сил буде всього лише дві:

спрямована вгору сила Архімеда;
діюча вниз сила тяжіння тіла.

Співвідношення цих сил дасть відповідь на питання даного пункту. З точки зору фізики, плавання судів обумовлено наявністю виштовхувальної до архімедового сили, яка перевищує зазначену силу тяжіння по модулю.

Формула для умови плавання

Розберемося, співвідношення яких фізичних величин визначає умову плавання суден. Вище ми встановили, що тіло не буде тонути, якщо сила Архімеда FA по модулю більше, ніж сила тяжіння Ft. Тоді маємо нерівність:

FA>Ft

Підставляємо сюди формули для FA і Ft, отримуємо:

ρl*g*Vl > ms*g =>
ms < ρl*Vl

Критичною ситуацією є така, при якій тіло повністю занурюється в рідину. При цьому надлишковий обсяг Vl буде точно дорівнює обсягу самого тіла Vs. Останнє дозволяє переписати отримане нерівність в наступному вигляді:

? s*Vs < ρl*Vl =>
? s < ρl

Це і є основна умова плавання суден. Тобто якщо середня щільність судна не перевищує щільності текучою субстанції, в якій воно знаходиться, то це судно ніколи не потоне.

Зазначимо, що у разі рівності густин положення тіла в рідині буде нестійким. Будь-якого незначного зовнішнього впливу буде досить, щоб потопити тіло або підняти його на поверхню.

Особливості використання закону Архімеда для плавання в рідинах і газах

У воді плавання суден і повітроплавання підкоряються одним і тим же законом Архімеда.

У разі плавання кораблів слід сказати, що їх корпус виготовлений з металевого матеріалу. Однак витісняється ними вага води (водотоннажність) перевищує їх власну вагу, тому вони тримаються на плаву (середня щільність корабля з його каютами і трюмом набагато менше щільності води).

Ідея плавання підводних човнів полягає в зміні їх середньої щільності. Для цього підводний човен використовує спеціальні баластні ємності, в які вода з моря може нагнітатися, або з них відкачуватися. У першому випадку човен буде занурюватися, у другому – спливати. По суті, ця ідея запозичена у природи в результаті спостережень за тим, як риби використовують свій плавальний міхур.

Говорячи про плаванні суден та повітроплаванні, скажемо пару слів про останнього. Яскравим прикладом повітряного судна є повітряна куля, або аеростат. Його обсяг заповнений повітрям. Якщо цей підігріти повітря, то він почне розширюватися, що призведе до зменшення щільності кулі. Останній факт є наслідком того, що архімедового сила стає більше ваги кулі, і він злітає.

Нижче наведено пізнавальне відео на розглянуту тему.