Картина кажется абсурдной. Стальной гвоздь, весом в несколько граммов, моментально тонет в воде. А рядом по морю спокойно идёт корабль массой в десятки, а то и сотни тысяч тонн - и даже не думает погружаться. Интуиция подсказывает: если железо тонет, то огромная гора металла должна пойти на дно ещё быстрее. Но реальность упрямо этому противоречит. Почему так происходит?
Ответ не в «особом корабельном металле» и не в хитрых трюках инженеров. Всё решает физика, причём довольно изящная.
Масса - не главное
Первая ошибка - думать, что тонет то, что тяжелее воды. На самом деле важно не сколько весит объект, а какой объём воды он вытесняет. Именно здесь появляется ключевое понятие - плавучесть.
Ещё в античности Архимед сформулировал простой принцип: на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости.
Проще говоря, вода как бы «подталкивает» предмет снизу. Если эта сила равна или больше силы тяжести - объект плавает. Если меньше - тонет.
Почему гвоздь тонет
Гвоздь маленький и плотный. Он вытесняет очень мало воды, а значит, выталкивающая сила тоже маленькая. Его собственный вес легко «перевешивает» эту силу - и гвоздь идёт на дно.
Здесь всё честно и без сюрпризов.
В чём хитрость корабля
Корабль - это не сплошной кусок металла. Большая его часть - это пустоты: трюмы, каюты, технические помещения. Внутри много воздуха, который почти ничего не весит.
В результате средняя плотность всего корабля - металл плюс воздух - оказывается меньше плотности воды. Он вытесняет огромный объём воды, и выталкивающая сила становится колоссальной.
Именно поэтому даже полностью стальной корабль может спокойно держаться на поверхности.
Почему корабль садится глубже, когда загружен
Когда в трюмы загружают контейнеры, топливо или технику, масса корабля растёт. Чтобы удержаться на плаву, ему приходится вытеснять больше воды. Поэтому он опускается ниже - появляется так называемая осадка.
Если загрузить корабль сверх нормы, он вытеснит максимум воды, но выталкивающей силы всё равно не хватит - и тогда он действительно утонет. Физика тут беспощадна.
А почему корабль не переворачивается?
Форма корпуса играет не меньшую роль. Широкое днище и низкий центр тяжести делают корабль устойчивым. Даже волны и ветер не так легко выводят его из равновесия - он постоянно «стремится» вернуться в устойчивое положение.
Итог, который легко запомнить
Корабли не плавают вопреки законам природы - они плавают строго по ним. Всё решает не вес, а плотность и объём вытесненной воды. Маленький гвоздь слишком плотный, а огромный корабль - удивительно «лёгкий» для своего размера.
И в этом, пожалуй, одна из самых красивых идей физики: иногда, чтобы не утонуть, нужно быть не легче - а просто правильно устроенным.