На чем основано плавание судов

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.

Источник

§ 53. Плавание судов

Суда, плавающие по рекам, озёрам, морям и океанам, построены из разных материалов с различной плотностью. Корпус судов обычно делают из стальных листов. Все внутренние крепления, придающие судам прочность, также изготовляют из металлов. Для постройки судов используют различные материалы, имеющие по сравнению с водой как бо́льшую, так и меньшую плотность.

Благодаря чему же суда держатся на воде, принимают на борт и перевозят большие грузы?

Опыт с плавающим телом (§ 51) показал, что тело вытесняет своей подводной частью столько воды, что вес этой воды равен весу тела в воздухе. Это справедливо и для любого судна.

Вес воды, вытесняемой подводной частью судна, равен весу судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Глубину, на которую судно погружается в воду, называют осадкой. Наибольшая допускаемая осадка отмечена на корпусе судна красной линией, называемой ватерлинией (от гол- ланд. ватер — вода).

Вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом, называется водоизмещением судна.

Сейчас для перевозки нефти строят суда водоизмещением 5 000 000 кН (5 • 10 6 кН) и больше, т. е. имеющие вместе с грузом массу 500 000 т (5 • 10 5 т) и более.

Если из водоизмещения вычесть вес самого судна, то получим грузоподъёмность этого судна. Грузоподъёмность показывает вес груза, перевозимого судном.

Судостроение существовало ещё в Древнем Египте, Финикии, Древнем Китае.

В России судостроение зародилось на рубеже XVII—XVIII вв. Сооружались главным образом военные корабли, но именно в России были созданы первый ледокол, суда с двигателем внутреннего сгорания, атомный ледокол «Арктика» (рис. 159).

Вопросы

1 На чём основано плавание судов?
2. Что называют осадкой судна?
3. Что такое ватерлиния?
4. Что называют водоизмещением судна?

Упражнение 28

1. Как изменится осадка корабля при переходе из реки в море? Ответ объясните.

2. Сила тяжести, действующая на судно, 100 000 кН. Какой объём воды вытесняет это судно?

Задание

1. На рисунке 160 изображены два прибора, плавающие в воде, называемые ареометрами.

• П о я с н е н и е. Эти приборы используются для измерения плотности жидкости. Первый ареометр, изображённый на рисунке 160, а, предназначен для жидкостей, имеющих плотность меньшую, чем вода.

Деления на нём нанесены сверху вниз. Второй (рис. 160, б) — для жидкостей с плотностью большей, чем вода. Деления на нём нанесены снизу вверх. Цифрой 1000 обозначена плотность воды:

• а) Объясните действие таких приборов.

• б) Используя пробирку или деревянную палочку и кусочки свинца, изготовьте ареометры для жидкостей, имеющих плотности большую и меньшую, чем вода.

2. Налейте в стакан воды, введите в воду конец пипетки и выпускайте из неё понемногу воздух. Затем наберите в пипетку немного жидкого масла и пускайте его под водой по капле. Что вы наблюдаете? Сделайте вывод.

Источник

Каждый школьник знает, что если бросить камень в воду, то он утонет. С другой стороны, корабль, который сделан из тяжелого металла, плавает на поверхности воды. Почему одни тела тонут, а другие плавают? На этот вопрос ответит статья, в которой подробно рассматривается плавание судов.

Жидкость и давление в ней

В физике 7 класса плавание судов рассматривают после того, как изучены особенности строения и свойства жидкостей. Последняя представляет собой промежуточное между газами и твердыми телами агрегатное состояние вещества. Жидкость способна сохранять объем, как твердое тело, и она является текучей субстанцией, как газ.

Вам будет интересно: Школы для аутистов в Москве: отзывы

Молекулы жидкости хаотично перемещаются по всему объему. Наличие у них кинетической энергии, сравнимой с потенциальной, обуславливает существование давления на каждый элементарный объем внутри жидкости. Поскольку перемещения молекул являются равновероятными, то общее давление на рассматриваемый элементарный объем оказывается равным нулю (все компоненты давления компенсируют друг друга).

Тем не менее многие знают, что погружение под воду создает болевые ощущения в области ушных перепонок. Это давление не имеет никакого отношения к рассмотренному выше молекулярному давлению. Оно связано исключительно с силой тяготения нашей планеты.

Вам будет интересно: Оборона Осовца: дата, хронология событий и исторические факты. «Атака мертвецов»

Любое тело, имеющее массу, давит на поверхность, на которой оно стоит, или растягивает подвес. Речь идет о весе тела. В жидкости этот вес проявляется в виде давления верхних слоев на нижние. Оно получило название гидростатического. Математическое выражение для расчета этого давления имеет следующий вид:

То есть гидростатическое давление линейно зависит от глубины погружения h и от плотности жидкости ρl. Именно это давление является причиной плавания судов.

Древнегреческий философ и его закон

Согласно одной из легенд, король некоторого древнегреческого полиса поручил Архимеду определить, изготовлена его корона из чистого золота, или же мастер его обманул и вместо золота добавил серебро в сплав. Архимед успешно справился с этим поручением, погрузив корону в сосуд с жидкостью и доказав тем самым поддельность изделия. Физический закон, который философ использовал, получил в настоящее время его имя.

Закон Архимеда гласит, что любое погруженное в текучую субстанцию тело испытывает выталкивающую его силу, модуль которой равен весу вытесненной субстанции, а вектор направлен вверх. Соответствующая сила получила название архимедовой.

Причиной появления архимедовой силы является разница между гидростатическим давлением, действующим на нижнюю поверхность твердого тела, которое погружено в текучую субстанцию, и давлением, действующим на верхнюю поверхность тела. Разница величин этих параметров обусловлена разной глубиной, на которой находятся верхняя и нижняя части тела (см. формулу в предыдущем пункте).

Сила Архимеда FA определяется по формуле:

Почему суда плавают?

Ответить на этот вопрос можно, если рассмотреть физические силы, действующие на погруженный в жидкость твердый предмет. Нетрудно догадаться, что этих сил будет всего лишь две:

Соотношение этих сил даст ответ на вопрос данного пункта. С точки зрения физики, плавание судов обусловлено наличием выталкивающей архимедовой силы, которая превышает отмеченную силу тяжести по модулю.

Формула для условия плавания

Разберемся, соотношение каких физических величин определяет условие плавания судов. Выше мы установили, что тело не будет тонуть, если сила Архимеда FA по модулю больше, чем сила тяжести Ft. Тогда имеем неравенство:

Подставляем сюда формулы для FA и Ft, получаем:

ρs Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Источник

Плавание судов

Содержание

Принцип плавания судов

В прошлом уроке мы провели опыт с плавающим телом, который показал, что тело вытесняет своей частью, находящейся под водой, столько воды, что ее вес равен весу тела в воздухе. Это утверждение справедливо для любого судна.

Очевидно, что раз суда держаться на поверхности воды, то они спроектированы таким образом, что вес воды, вытесняемой подводной частью судна, равен весу судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Большое значение имеют форма и строение судна. В подводной части находятся полости (почти всегда это используемые помещения), в которых есть воздух. Таким образом, средняя плотность судна меньше плотности воды.

Характеристики судов

Рассмотрим несколько важных характеристик судов:

Также отметим, что осадка судна в соленой и пресной воде будет различна. Плотность соленой воды больше плотности пресной, поэтому осадка в море или океане, будет меньше, чем в реке или озере.

История судостроения

С древних времен у людей была необходимость преодолевать водные преграды. Люди строили примитивные плоты, корзины, обтянутые кожей животных, лодки, которые выдалбливали или выжигали из большого цельного ствола дерева (рисунок 3).

Рисунок 3. Экспонат Национального музея Республики Карелия.

Рисунок 4. Клипер «Катти Сарк» в сухом доке Гринвича.

В 1807 году в США был построен первый пароход. Так у парусных судов появилась конкуренция – судна с паровыми машинами (рисунок 5).

Рисунок 5. «Пароход Северной Реки», изобретенный Р. Фултоном.

Если раньше все суда строились из дерева, то в 1787 году было построено первое судно из железа. А со второй половины XIX века железо начали заменять сталью.

В 1903 году в России построили первый теплоход. Такие суда приводятся в движение с помощью двигателя внутреннего сгорания (рисунок 6).

Рисунок 6. Первый теплоход «Вандал», построенный на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде.

Также в России был создан первый в мире ледокол «Ермак» в 1898 году. Это судно могло форсировать льды толщиной в 2 метра (рисунок 7).

Рисунок 7. Ледокол «Ермак».

В 1959 году был построен первый атомный ледокол «Ленин» (рисунок 8). Ледокол расходовал в сутки 45 граммов ядерного топлива, и его полная мощность составляла 44 000 лошадиных сил.

Рисунок 8. Атомный ледокол «Ленин».

Рисунок 9. Самый большой контейнеровоз в мире «HMM Algeciras».

Источник

Условия плавания тел. Воздухоплавание

Выталкивающая сила \(F_A\) направлена вертикально вверх, сила тяжести \(V_\text<тяж>\) направлена вертикально вниз. В зависимости от соотношения абсолютных величин этих двух сил, тело будет плавать иди тонуть.

В зависимости от соотношения плотности жидкости и плотности тела, получаем:

п.2. Плавание судов

Чтобы судно держалось на воде, вес воды, вытесняемой подводной частью судна, должен быть равен весу судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом: \begin F_A=\rho_\text<в>V_\text<подв>g \\[7pt] P=Mg\\[7pt] P=F_A\Leftrightarrow M=\rho_\text<в>V_\text <подв>\end В подводной части корабля есть большие полости, поэтому подводная часть имеет большой объем \(V_\text<подв>\), который обеспечивает большую величину выталкивающей силы, достаточную для уравновешивания суммарного веса корабля и груза.

Глубину погружения судна в воду называют осадкой. Поскольку плотность речной воды меньше, чем плотность морской воды, при заходе в реку осадка увеличивается.

Наибольшую допустимую осадку называют ватерлинией; как правило, её отмечают на корпусе красной линией.

Водоизмещение судна – это вес воды, вытесняемой судном с грузом при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с максимальным допустимым грузом.

п.3. Ареометр

п.4. Воздухоплавание

Если наполнить шар газом, плотность которого меньше, чем плотность воздуха, то за счет действия выталкивающей силы можно подняться над поверхностью Земли.

Поскольку \(\rho_<\mathrm>\lt \rho_\text<возд>\) и \(\rho_<\mathrm>\lt \rho_\text<возд>\), воздушные шары, наполненные этими газами, будут подниматься наверх в атмосфере; сила Архимеда, действующая на них, будет больше силы тяжести.

Можно также заполнять шар обычным воздухом, только горячим. Плотность воздуха заметно уменьшается с ростом температуры. Например, при \(t=20^\circ C\), \(\rho_\text<возд>=1,205 \text<кг/м>^3\), а при \(t=120^\circ C\), \(\rho_\text<возд>=0,898 \text<кг/м>^3\). С повышением температуры, плотность воздуха внутри шара уменьшается, становится меньшим вес шара, а его подъёмная сила увеличивается. Если хотим подняться наверх, включаем горелку. Если хотим опуститься, выключаем горелку.

п.5. Задачи

Общий вес льдины и человека \begin P=(M_\text<л>+m)g=(\rho V+m)g \end Объем льдины \(V=Sh\)
При полном погружении льдины в воду на нее будет действовать выталкивающая сила \(F_A=\rho_\text<в>Vg\). Чтобы льдина больше не погружалась, должно выполняться условие \begin P=F_A\\[7pt] (\rho V+m)g=\rho_\text<в>Vg\\[7pt] \rho V+m=\rho_\text<в>V\\[7pt] m=(\rho_\text<в>-\rho)V=(\rho_\text<в>-\rho)Sh \end Площадь льдины \begin S=\frac<(\rho_\text<в>-\rho)h> \end Получаем \begin S=\frac<72><(1000-900)\cdot 0,4>=1,8\ (\text<м>^2) \end Ответ: 1,8 м 2

Задача 2. Найдите вес, архимедову силу и подъемную силу воздушного шара объемом \(V=40\ \text<м>^3\), наполненного гелием. Плотность воздуха \(\rho_\text<возд>=1,29\ \text<кг/м>^3\), плотность гелия \(\rho_<\mathrm>=0,18\ \text<кг/м>^3\); \(g=9,8\ \text<м/с>^2\). Ответы округлите до десятых долей ньютона.
Может ли шар поднять груз весом \(400\ \text<Н>\)?

Масса шара – сумма массы оболочки с грузом и воздуха внутри: \begin M_<\text<ш>>=M+\rho_<\text<ш>>V \end Вес шара: \begin P=M_<\text<ш>>g=(M+\rho_<\text<ш>>V)g \end Выталкивающая сила на данной высоте \begin F_A=\rho Vg=\frac 12\rho_0 Vg \end Условие равновесия \begin P=F_A\\[6pt] (M+\rho_<\text<ш>>V)g=\frac 12\rho_0 Vg\\[6pt] M+\rho_<\text<ш>>V=\frac 12\rho_0 V\\[6pt] \rho_<\text<ш>>V=\frac 12\rho_0 V-M \end Плотность воздуха в шаре \begin \rho_<\text<ш>>=\frac 12\rho_0-\frac MV \end Получаем \begin \rho_<\text<ш>>=\frac 12\cdot 1,29-\frac<150><1600>\approx 0,55\ \text<кг/м>^3 \end Ответ: ≈55 кг/м 3

Задача 5*. Льдинка плавает на границе между водой и керосином. Какая часть её объема находится ниже этой границы, если керосин покрывает льдинку полностью?

Пусть высота слоя керосина над границей с водой равна \(h_1\), высота льдинки над границей равна \(h_\text<над>\), высота льдинки под границей равна \(h_\text<под>\).
Сверху на льдинку действует сила \(F_1\), которая равна давлению столба керосина высотой \(h_1-h_\text<над>\) на площадь верхней поверхности льдинки: \begin F_1=\rho g(h_2-h_\text<над>)S. \end Снизу по закону Паскаля на льдинку действует сила \(F_2\), которая равна сумме давлений всего столба керосина высотой \(h_1\) и столба воды высотой \(h_\text<под>\) на площадь нижней поверхности льдинки: \begin F_2=\rho_1 gh_1S+\rho_2gh_\text<под>S. \end На любом промежуточном уровне силы, действующие на боковые поверхности, равны по значению и противоположны по направлению, т.е. взаимно уравновешивают друг друга.
Равнодействующая всех сил, действующих на тело со стороны жидкости, является выталкивающей силой и равна: \begin F_A=F_2-F_1=\rho_1gh_1S+\rho_2gh_\text<под>S-\rho_1g(h_1-h_\text<над>)S=\\[7pt] =(\rho_1H_1\rho_2h_\text<под>-\rho_1h_1+\rho_1h_\text<над>)gS=(\rho_1h_\text<над>+\rho_2h_\text<под>)gS=\\[7pt] =(\rho_1V_\text<над>+\rho_2V_\text<под>)g \end Учитывая, что \(V_\text<над>=V-V_\text<под>\), получаем \begin F_A\left(\rho_1(V-V_\text<под>)+\rho_2V_\text<под>\right)g=\left(\rho_1V+(\rho_2-\rho_1)V_\text<под>\right)g \end Вес льдинки \(P=\rho Vg\). Условие равновесия \begin P=F_A\\[7pt] \rho Vg=\left(\rho_1V+(\rho_2-\rho_1)V_\text<под>\right)g\\[7pt] \rho V=\rho_1V+(\rho_2-\rho_1)V_\text<под>\\[7pt] (\rho-\rho_1)V=(\rho_2-\rho_1)V_\text <под>\end Часть объема льдинки под границей между керосином и водой: \begin \frac>=\frac<\rho-\rho_1> <\rho_2-\rho_1>\end Подставляем: \begin \frac>=\frac<900-800><1000-800>=\frac 12 \end Под границей находится половина льдинки.
Ответ: 1/2

п.6. Лабораторная работа №12. Изучение условий плавания тела в жидкости

Цель работы
Изучить условия плавания тел в жидкости.

Выталкивающая сила \(F_A\) направлена вертикально вверх, сила тяжести \(F_\text<тяж>\) направлена вертикально вниз. В зависимости от соотношения абсолютных величин этих двух сил, тело будет плавать иди тонуть.

Выталкивающая сила в работе определяется весом вытесненной телом воды.

Чтобы определить этот вес, отметьте уровни воды в измерительном цилиндре до погружения тела в воду и после погружения. Разность уровней даст вам объем вытесненной телом воды \(V_\text<т>\), по которому находится \(F_A=\rho_\text<в>V_\text<т>g\).

Масса тела \(m\) определяется взвешиванием. Вес рассчитывается по формуле \(P=mg\).

Значение \(g\) в работе можно принять \(g\approx 10\ \text<м/с>^2\).

Приборы и материалы
Весы с разновесами, измерительный цилиндр, пробирка-поплавок с пробкой, сухой песок, сухая ткань.

Ход работы
1. Насыпьте в пробирку песка так, чтобы она в мерном цилиндре плавала вертикально, и часть ее была над водой.
2. Отметьте уровни воды в измерительном цилиндре до погружения пробирки в воду \((V_1)\) и после погружения \((V_2)\). Найдите объем вытесненной пробиркой воды \(V_\text<т>=V_2-V_1\).
3. Выньте пробирку из воды, тщательно протрите ее сухой тканью. Определите взвешиванием массу пробирки с точностью до 1 г.
4. Рассчитайте выталкивающую силу и вес пробирки, занесите данные в таблицу.
5. Насыпьте в пробирку еще немного песка и повторите процедуру, начиная с п.2. Проделайте так несколько раз, пока пробирка не утонет.
6. Сделайте выводы об условиях плавания тел в жидкости.

Результаты измерений и вычислений

Выводы
На основании проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы.

Если вес равен архимедовой силе \(P=F_A=540\ \text<мН>\), пробирка полностью погружена в воду и плавает на любой глубине. Средняя плотность пробирки при этом равна плотности воды.

Если вес равен архимедовой силе \(P=F_A\lt 540\ \text<мН>\), пробирка не полностью погружена в воду, она плавает на поверхности. Чем меньше P, тем большая часть пробирки выступает над водой; тем меньше средняя плотность пробирки по сравнению с плотностью воды.

Если вес больше архимедовой силы \(P\gt F_A=540\ \text<мН>\), пробирка тонет. Её средняя плотность становится больше плотности воды.

Источник