Как 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.
Почему корабли плавают
История судостроения
Историческая наука не может определить точных дат начала строительства судов. Но во многих письменных источниках упоминается о морских судах и существовании торговых путей, которые связывали между собой человеческие поселения. Эти свидетельства подтверждают высокие достижения древних кораблестроительных технологий. Первые простейшие суда изобрели задолго до колесной повозки.
Как корабль держится на воде
Плавучесть — свойство погруженного в жидкость тела оставаться в равновесии, не выходя из воды и не погружаясь дальше, то есть плавать.
Имеется несколько условий для плавания судна: если сила тяжести корабля больше гидростатического давления, то судно будет тонуть; если сила тяжести корабля равна гидростатическому давлению, то судно будет находиться в равновесии в любой точке жидкости, будет плавать внутри жидкости; если сила тяжести меньше гидростатических сил, то судно будет держаться на поверхности.
Корабли по своей массе действительно тяжелые, но у них достаточный запас воздуха внутри корпуса и высокие борта. Сила тяжести любого судна меньше гидростатических сил воды, поэтому корабли держатся на воде. Если превысить грузоподъемность судна, то сила тяжести будет больше воздействия гидростатических сил, и корабль затонет. Аналогичная ситуация возникнет, если судно получило пробоину. Корпус наполнится водой, сила тяжести увеличивается, корабль тонет.
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 корабли не тонут
Как известно, корабли строят из металла и они очень тяжёлые. Железные гвозди тоже производят из металла, по сравнению с кораблями они лёгкие, но, тем не менее, уходят ко дну. А почему корабли не тонут?
Закон Архимеда в действии. Парадокс Архимеда
Чтобы объяснить это явление, необходимо иметь представление о Законе Архимеда: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме тела. Чтобы убедиться в действии выталкивающей силы, достаточно погрузиться в ванну, наполненную до краёв. Тело вытолкнет часть воды вверх, и она прольётся на пол. Другими словами, когда какое-либо физическое тело погружается в воду, оно освобождает себе пространство, выталкивая часть воды. А вода, в свою очередь, выталкивает тело наверх.
Корабли очень тяжёлые, но в их корпусе есть большие равномерно расположенные пустоты, заполненные воздухом, который легче воды. В результате вес той воды, которую выталкивает корабль, больше его собственного веса. Так что судно не утонет до тех пор, пока оно не перегружено и не стало тяжелее вытолкнутой им воды. Между прочим, пустые помещения помогают кораблю не потонуть даже с пробоиной в корпусе, находящейся ниже уровня воды. Это возможно благодаря тому, что эти пустоты отгорожены друг от друга толстыми перегородками. Если даже вода полностью заполнит одну полость, то остальные останутся в прежнем состоянии.
Таким образом, в случае корабля выталкивающая сила равна весу воды в объёме той части судна, которая погружена в воду. Если эта сила больше, чем вес судна, то оно будет плавать. Кстати, парадокс Архимеда утверждает, что тело может плавать в объёме воды меньшем, чем объём самого тела, если его средняя плотность меньше, чем плотность воды. Проявление этого парадокса состоит в том, что массивное тело (то есть плавательное средство) может плавать в объёме воды намного меньшем, чем объём самого тела.
Понятия водоизмещения и ватерлинии
Корабль не тонет потому, что, в отличие от гвоздя, обладает водоизмещением. Водоизмещение — это количество (вес или объём) воды, вытесненной подводной частью корпуса судна. Масса этого количества воды равна весу всего судна, независимо от его размера, материала и формы.
Как известно, корабли предназначены для перевозки людей и грузов. Если он пустой, то его вес минимальный, а следовательно, он меньше всего «осаживается» в море. Гружёное судно погружается в воду глубже. При повышенной нагрузке чрезмерное погружение в воду чревато затоплением — судно уйдёт под воду и утонет. Поэтому на корпусе имеется ватерлиния — специальная горизонтальная линия на внешней стороне борта, до которой крупное плавательное средство погружается в воду при нормальной осадке. Обычно выше неё корабль открашен одним цветом, а ниже — другим. Если уровень ватерлинии начал погружаться под воду, это свидетельствует о перегрузке судна либо наличии пробоины. С другой стороны, пустой корабль не должен быть слишком лёгким, так как в этом случае его подводная часть будет слишком маленькой по отношению к надводной. Такое положение также опасно: ветер и волны могут опрокинуть плавательное средство.
В наше время для определения глубины погружения существует множество датчиков. А ватерлиния — лишь вспомогательное средство определения исправности и правильной эксплуатации судов.
Таким образом, железные суда проектируют и строят с таким расчётом, чтобы при погружении они вытесняли количество воды, вес которой равен их весу в загруженном состоянии.
Аналогия с железным шариком
Можно представить объяснение и с точки зрения физической зависимости между массой, объёмом и плотностью. Тела, плотность которых меньше плотности воды, свободно плавают по её поверхности. Как известно, плотность обратно пропорциональна объёму и прямо пропорциональна массе, что отражает формула ρ=m/v. То есть при неизменной массе тела, чтобы уменьшить плотность, требуется пропорционально увеличить его объём. Последнее утверждение можно представить следующим примером.
Железный шарик тонет в воде, потому что у него большой вес, но маленький объём. Если этот шарик расплющить в тонкий лист, а из листа сделать большой, внутри пустой шар, то вес не увеличится, а объём значительно вырастет, из-за чего железный шар будет плавать.
Корабль внутри имеет множество пустых, наполненных воздухом помещений, и его средняя плотность значительно меньше плотности воды. Поэтому для судна очень опасно, если пробоины в нём будут наполняться водой. Вода тяжелее воздуха, что приведёт к нарушению баланса между весом судна и объёмом, и он пойдёт ко дну.
Интересно, что в танкерах, перевозящих нефть, пустых помещений с воздухом почти нет, так как сама нефть имеет плотность, меньшую плотности воды. Аналогично и с лесовозами. Поэтому танкеры и лесовозы нагружают под завязку — чтобы не требовался воздух. А такие судна, как балкеры, перевозящие металл и железную руду, нуждаются в большом количестве пустых помещений.
На схеме: 1 — Силы поддержания корабля на плаву; 2 — Давление воды на борт судна.
Таким образом, действие выталкивающей силы зависит, во-первых, от объёма плавательного средства, а во-вторых — от плотности воды, в которой судно плавает.
Эта сила тем больше, чем больше объём погружённого тела.
Могут ли корабли летать?
Суда на воздушной подушке передвигаются по воде, однако они не погружаются в воду, как обычные корабли. Они парят на прослойке воздуха, которая приподнимает судно над поверхностью воды. Такой корабль может передвигаться не только по воде, но и по земле.
Как погружаются и всплывают подводные лодки?
У подводной лодки есть специальные резервуары, которые при погружении заполняются водой. Вес лодки увеличивается, она становится тяжелее воды и погружается вниз. При всплытии резервуар наполняют воздухом, который вытесняет воду. Схематически это указано на рисунке выше.
Первая подводная лодка
Одна из первых подводных лодок была сконструирована и испытана голландцем Корнелиусом ван Дреббелем ещё в 20-х годах XVII века. Двенадцать гребцов погружали деревянную лодку под воды реки Темза в Великобритании.
Первый водолазный костюм
Этот неуклюжий водолазный костюм изобрели более 200 лет назад. Воздух для водолаза поступал с поверхности по длинному шлангу.
Таким образом, благодаря воздуху, который легче воды, можно контролировать погружение тел в воду. На этом принципе основано перемещение подводных лодок и по этой причине корабли не тонут.