В зависимости от того, как долго вы изучали физику, вы, возможно, пропустили тему плавучести кораблей, несмотря на их стальную конструкцию. И все рушится не на то, из чего сделан корпус корабля, а на то, что внутри. Ведь корабль, наполненный водой, все равно пойдет ко дну. Но почему?
Чтобы понять, почему стальные корабли весом в сотни тонн могут частично плавать на поверхности воды, нам нужно освежить в памяти две темы в физике. Первая — это плотность тел, а вторая — выталкивающая сила. Оба эти термина говорят нам, когда объект плавает на воде (или в воздухе!), а другой позволяет нам рассчитать, сколько груза мы можем погрузить на корабль (или сколько воды взять на борт в случае аварии). авария) до того, как он утонет.
Плотность имеет значение
Давайте начнем с того, что позволяет одним веществам тонуть или плавать в других. Брошенный в воду камень быстро опустится на дно, а вот деревянный сундук будет плавать на ее поверхности, погруженный почти ровно наполовину. Почему это так? Ответом является вышеупомянутая плотность, т.е. насколько плотно молекулы «застревают» в данном веществе.
Правильное определение плотности гласит, что это отношение массы вещества к занимаемому им объему. Плотность чаще всего определяют, давая ее значение в кг на кубический метр. Итак, мы узнаем, сколько будет весить плотно упакованный куб со стороной 1 м, целиком состоящий из некоторого вещества. И так шесть. воды 997,8 кг (при 22 град. С), а стали целых 7,5 тыс. кг на кубический метр Следовательно, сталь должна быть в восемь раз легче, сохраняя при этом тот же объем, чтобы плавать сама по себе.
Как насчет дерева? 1 кубический метр древесины весит от 600 до 900 кг у дуба и от 400 до 600 кг у липы, что меньше воды. Какой бы кусок цельного дерева мы ни бросили в воду, он всегда будет плавать на нем.
Это относится и к жидкостям. А так кровь или молоко немного плотнее воды, поэтому они будут медленно тонуть в ней, а бензин или рапсовое масло будут плавать на ее поверхности из-за меньшей плотности.
Пустота в плотности
Но как насчет корабля, корпус которого плотнее, потому что он сделан из стали? Но ты уверен? При измерении плотности данного предмета мы учитываем весь его объем, а не только стенки, из которых он сделан. Если у нас есть металлический ящик площадью 1 м 6 , пустой внутри, мы рассчитываем его плотность так, как если бы все частицы со стенок были равномерно распределены внутри.
Таким образом, стальной ящик тех же размеров, что и наполненный стальной блок, содержит в восемь раз меньше стали (плотностью воздуха здесь пренебрегаем, но она составляет всего 1,2 кг на кубический метр). Тогда плотность такого ящика будет 7500/8, то есть 937,5 кг на кубический метр, что меньше плотности воды. Этот объект будет плавать на воде.
Если мы посмотрим на корабли внутри, они не наполнены сталью. В них много воздуха, а также других веществ, в том числе для мебели, оборудования, а также всех грузов, экипажа и пассажиров. При расчете плотности корабля необходимо учитывать не только сами стены, но и все, что его наполняет.
выталкивающая сила
Форма корпусов в зависимости от их назначения во многом зависит от назначения корабля. На круизных лайнерах мы заботимся о размещении наибольшего количества людей, сохраняя при этом правильную скорость, грузовые суда и танкеры должны брать как можно больше грузов, а быстрые моторные лодки должны быть... самыми быстрыми. А вот и второе слагаемое - сила плавучести.
Силу плавучести открыл Архимед, и легенда гласит, что он наткнулся на нее в ванне, наблюдая за текущей водой, под влиянием которой его тело погружалось все глубже и глубже. Вода, преодолевая гравитацию, поднялась и вышла за края ванны. После опытов Архимед заметил, что тела, погруженные в жидкости, теряют «вес» настолько, насколько вес вытесненной ими воды. Точнее, тело, погруженное в воду, действует на нее с определенной силой. Эта сила уравновешивается силой противоположного направления — выталкивающей силой, которая поднимает воду в ванне. Эта сила равна весу воды, вытесненной погруженным телом.
Это означает, что чем большая часть корабля погружена в воду, тем больше будет противодействующая сила, равная количеству вытесненной воды. Таким образом, суда с плоским и широким днищем теоретически могут брать на борт гораздо больший вес, чем суда с конусообразным корпусом. Каждый сантиметр погружения вытесняет воду объемом, равным всей ширине палубы.
Объединив знания о плотности и плавучести, мы можем легко рассчитать возможную грузоподъемность различных кораблей, плотов и других объектов, погруженных в воду, а также летающих в воздухе, таких как воздушные шары.