Почему суда плавают физика

Обновлено: 17.04.2024

Рассмотрим ситуацию: мы полностью погружаем в жидкость тело и отпускаем его. Теперь на него действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и архимедова сила. Возможны три случая (рисунок 1).

При каком условии тело, находящееся в жидкости, тонет; плавает; всплывает?

Первый случай:
если сила тяжести $F_$ больше архимедовой силы $F_A$, то тело будет двигаться ко дну — тонуть.

Второй случай:
если сила тяжести $F_$ равна архимедовой силе $F_A$, то тело будет находиться в равновесии в любом месте жидкости.

Третий случай:
если сила тяжести $F_$ меньше архимедовой силы $F_A$, то тело будет двигать вверх в жидкости — всплывать.

Вес жидкости, вытесненной плавающим телом

Как показать на опыте, что вес жидкости, вытесненной плавающим телом, равен весу тела в воздухе?
Рассмотрим подробнее третий случай и проведем опыт: в сосуд с трубкой для отлива (отливной сосуд) нальем воду до уровня трубки. Возьмем плавающее тело, взвесим его в воздухе и погрузим его в воду (рисунок 2).

После этого из трубки выльется вода, объем которой равен объему погруженной части тела. Мы можем взвесить эту воду. Тогда мы увидим, что ее вес равен весу тела в воздухе.

Вес этой воды будет эквивалентен архимедовой силе, а вес тела в воздухе — силе тяжести. Точно такой же эксперимент можно провести в разных жидкостях — результат мы получаем одинаковый.

При последующем подъеме архимедова сила будет уменьшаться, потому что будет постепенно уменьшаться объем той части тела, которая погружена в воду.

Когда же будет выполнено условие $F_ = F_A$, то тело перестанет всплывать и будет держаться (плавать) на поверхности воды, частично погрузившись в нее.

Если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости будет равен весу этого тела в воздухе.

Условие плавания тел и плотность жидкости

Рассмотрим простой опыт, изображенный на рисунке 3.

Сначала опустим железную гирю в сосуд с водой (рисунок 3, а). Гиря тонет. А теперь опустим железную гирю в сосуд со ртутью (рисунок 3, б) — гиря всплыла. Это произошло, потому что плотность железа больше плотности воды, но меньше плотности ртути.

Когда плотность твердого тела больше плотности жидкости, в которую его погружают, то тело тонет.

Когда плотность твердого тела меньше плотности этой жидкости, то оно всплывает:

Когда плотность твердого тела равна плотности жидкости, то тело остается в равновесии внутри жидкости:

Если $\rho_т=\rho_ж$, то тело плавает.

Теперь взглянем на следующий опыт, представленный на рисунке 4.

Здесь мы погрузили в воду два одинаковых шарика: пробковый и парафиновый. Видно, что часть пробкового шарика, погруженная в воду, меньше той же части парафинового.

Как зависит глубина погружения в жидкость плавающего тела от его плотности?
Известно, что плотность пробки меньше плотности парафина. Можно сказать, что чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость.

Несмешивающиеся жидкости также будут находиться в одном сосуде в соответствии со своими плотностями: в нижней части сосуда более плотные, в верхней — более легкие (рисунок 5).

Плавание тел в природе

Почему водные животные не нуждаются в прочных скелетах?
В живой природе вес морских организмов почти полностью уравновешивается архимедовой силой, так как их плотность почти не отличается от плотности окружающей среды. Поэтому у морских животных легкие и гибкие скелеты, а у морских растений — эластичные стволы.

Каким образом рыбы могут менять глубину своего плавания и оставаться на ней? У каждой рыбы имеется плавательный (воздушный) пузырь (рисунок 6).

Какую роль играет плавательный пузырь у рыб?
Пузырь легко сжимается и расширяется: при увеличении глубины за счет мышечных усилий увеличивается давление воды на рыбу. Плавательный пузырь сжимается, и объем тела рыбы уменьшается, уменьшается величина архимедовой силы, и рыба может спокойно оставаться на выбранной глубине. То же самое происходит при уменьшении глубины, но в обратную сторону: пузырь расширяется, объем всего тела рыбы увеличивается.

Как регулируют глубину погружения киты?
Киты и другие морские млекопитающие используют для изменения глубины собственные легкие подобно плавательному пузырю у рыб.

Айсберг — это большой кусок льда, который свободно плавает в океане, так как плотность льда меньше плотности соленой воды (рисунок 7).

Обычно около $90 \%$ объема айсберга находится под поверхностью воды, что делает столкновение с ним очень опасным. В 1912 году знаменитое судно «Титаник» столкнулось с айсбергом в Атлантическом океане. Оно затонуло, унеся с собой жизни 1513 пассажиров. Также айсберги являются огромными хранилищами пресной воды.

Упражнения

Упражнение №1

На весах уравновесили отливной сосуд с водой (рисунок 8, а). В воду опустили деревянный брусок. Равновесие весов сначала нарушилось (рисунок 8, б). Но когда вся вода, вытесненная плавающим бруском, вытекла из сосуда, равновесие весов восстановилось (рисунок 8, в). Объясните это явление.

Ответ:

На рисунке 8, б равновесие весов нарушилось из-за деревянного бруска. Вес на левой чаше весов увеличился на вес бруска.

Мы знаем, что если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости будет равен весу этого тела в воздухе. Значит, деревянный брусок вытеснил такое количество жидкости, которое равно его весу. Так весы снова пришли в равновесие.

Упражнение №2

На рисунке 9 изображено одно и то же тело, плавающее в двух разных жидкостях. Плотность какой жидкости больше? Почему? Что можно сказать о силе тяжести, действующей на тело, и архимедовой силе в том и другом случае?

Ответ:

Тело в обоих случаях плавает. Мы знаем, что плотность жидкости будет больше там, где наше тело погружено в жидкость меньше (его меньшая часть находится под водой). Значит, плотность жидкости больше во втором случае (рисунок 9, б).

Можно рассмотреть этот вопрос с другой стороны. Плавающее тело вытесняет такой объем жидкости, который равен весу этого тела в воздухе. В первом случае (рисунок 9, а) тело вытеснило больше жидкости, чем во втором. Но вес этих объемов жидкости будет одинаковый. Значит, больший объем жидкости будет иметь меньшую плотность.

Наше тело плавает и в первом, и во втором случае. Поэтому сила тяжести и архимедова сила будут равны друг другу (рисунок 10).

Кроме того, архимедова сила, действующая на тело в первом сосуде, будет равна архимедовой силе, действующей на тело во втором сосуде. Сила тяжести тоже одинакова для обоих случаев.

Как архимедова сила может быть одинаковой, если жидкости имеют разную плотность?
Сила Архимеда зависит не только от плотности жидкости, но и от объема погруженного в нее тела ($F_А = g \rho_ж V_т$). Так, во втором сосуде плотность жидкости больше, но объем погруженной части тела меньше.

Упражнение №3

Яйцо тонет в пресной воде, но плавает в соленой (рисунок 11). Объясните почему. Пронаблюдайте это сами на опыте.

Ответ:

Яйцо тонет в пресной воде. Это означает, что в данном случае сила тяжести больше силы Архимеда.

В соленой воде яйцо будет плавать: сила тяжести и архимедова сила равны друг другу. Плотность соленой воды больше, чем плотность пресной. Это и есть причина увеличения архимедовой силы до величины силы тяжести и условия плавания тела: $F_А = g \rho_ж V_т$, $F_А = F_$.

Упражнение №4

Изобразите графически силы, действующие на тело, плавающее на воде, всплывающее на поверхность воды, тонущее в воде.

Ответ:

а — тело плавает: $F_А = F_$;
б — тело всплывает: $F_А > F_$;
в — тело тонет: $F_А < F_$.

Упражнение №5

Пользуясь таблицами плотностей, определите, тела из каких металлов будут плавать в ртути, а какие — тонуть.

Ответ:

Когда плотность твердого тела равна плотности жидкости или больше нее, то тело плавает или всплывает. Если плотность тела будет больше плотности жидкости, то оно будет тонуть.

Плотность ртути составляет $13 \space 600 \frac$. В таблице находим металлы с меньшей плотностью — они будут плавать:

Свинец;
Серебро;
Латунь;
Медь;
Сталь;
Железо;
Олово;
Цинк;
Чугун;
Алюминий.

Теперь найдем металлы, плотность которых больше плотности ртути. Они будут тонуть:

Упражнение №6

Будет ли кусок льда плавать в бензине, керосине, глицерине?

Ответ:

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно сравнить плотности приведенных жидкостей и плотность льда.

Плотность льда равна $900 \frac$, бензина — $710 \frac$, керосина — $800 \frac$, глицерина — $1260 \frac$.

Лед будет тонуть в бензине и керосине: $\rho_л > \rho_к > \rho_б$.

А плотность глицерина больше плотности льда. Значит, лед будет в нем плавать (всплывать): $\rho_л < \rho_г$.

Упражнение №7

Объем погруженной в воду части айсберга составляет $100 \space м^3$. Плотность льда равна $900 \frac$, плотность соленой воды равна $1030 \frac$. Найдите весь объем айсберга и его массу.

Дано:
$V_1 = 100 \space м^3$
$\rho_л = 900 \frac$
$\rho_в = 1030 \frac$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Отметим на рисунке силы, действующие на айсберг: $F_A$ и $F_т$.

Сила $F_A$ приложена к центру погруженной в воду части айсберга и направлена вверх.
Сила $F_т$ приложена к центру тела айсберга и направлена вниз.

Так как айсберг плавает (не тонет и не всплывает до конца), он находится в состоянии равновесия:
$F_A = F_т$
$F_A = \rho_gV_1$
$F_т = mg$
$\rho_gV_1 = mg$

Отсюда найдем массу айсберга:
$m = \rho_V_1$,
$m = 1030 \frac \cdot 100 \space м^3 = 103 \space 000 \space кг = 103 \space т$.

Ответ: $m = 103 \space т$, $V \approx 114 \space м^3$.

Задание

Французский ученый Декарт (1596−1650) для демонстрации некоторых гидростатических явлений придумал прибор (рисунок 13). Высокий стеклянный сосуд (банку) наполняли водой, оставляя сверху сосуда небольшой объем воздуха. В этот сосуд опускали небольшую полую стеклянную фигурку. Фигурку заполняли частично водой и частично воздухом так, чтобы она только немного выходила из воды. Сверху стеклянный сосуд плотно закрывали куском тонкой кожи. Нажимая на кожу, можно было заставить фигурку плавать в воде и на воде, а также тонуть.

Изготовьте такой прибор («картезианский водолаз») и проделайте с ним опыты. Фигурку замените небольшим поплавком (пипеткой), а сосуд закройте резиновой пленкой (рисунок 14). Объясните действие прибора. Продемонстрируйте на этом приборе законы плавания тел.

Ответ:

Изначально поплавок (пипетка) находится на поверхности жидкости (плавает). Когда мы нажимаем на резиновую пленку, это давление по закону Паскаля передается воздуху и воде внутри сосуда и пипетки. Воздух в пипетке сжимается, и она наполняется водой. Суммарная плотность пипетки в этот момент увеличивается. Увеличивается и сила тяжести, действующая на нее. Когда сила тяжести становится больше архимедовой силы, пипетка начинает тонуть.

Когда мы перестаем давить на резиновую пленку, сжатый воздух внутри нее снова расширится. Объем воды в пипетке уменьшится — уменьшится и сила тяжести. Теперь сила Архимеда больше силы тяжести, действующей на пипетку, — она снова всплывет на поверхность жидкости.

Интересно

Жаргон моряков самобытен и интересен. Так, на судне нет кухни, есть камбуз. И туалета тоже нет – есть гальюн. А еще корабль не плавает, а ходит. К этому моменту все сторонники морских традиций относятся очень ревниво. Почему же принято говорить именно так, почему судно идет, а не плывет? Существует сразу несколько версий ответа на этот вопрос, и рассмотреть стоит каждую из них.

Предрассудки? А только ли они?

Древнегреческая триера

Кто-то скажет, что подобная формулировка связана с уважением к водной стихии, которая испокон века обожествлялась, которой люди откровенно побаивались. Из уважения к морю и его божествам, а может быть, с целью успокоить себя и утешить близких, принято было говорить «ушел в море». Не уплыл, рискуя утонуть, а именно ушел, как по земле. А значит, скорое возвращение будет гарантировано.

Бревно плывет

Возможно, речь здесь идет даже об уважении к самому судну. Стоит вспомнить, что в английском языке корабль – это одушевленный предмет, единственное фактическое исключение в своем роде. А все потому, что англичане – признанные мореплаватели, которые за счет мощи своего флота смогли колонизировать полмира. Плавать может бревно или какой-нибудь мусор, мелкая рыбешка в пучине, а корабль, который становится домом для матросов на годы вперед, который обладает для них собственной душой и своим особым характером, может только идти. Но предрассудки – это одно, а что до хода корабля – тут есть и другое, вполне логичное, даже техническое объяснение.

Также моряки утверждают, что плавать – значит перемещаться в толще воды. А идти – значит, передвигаться по ее поверхности. Отсюда идет закономерная формулировка, что корабль – ходит. Исходя из этой трактовки, говорить о том, что судно плывет – как минимум, дурной знак.

Еще одна версия говорит о том, что плыть – значит передвигаться по воде неуправляемо, как это делает различный мусор. Ветки и бревна – плывут. А пароходы и корабли – ходят: в загранку, против ветра или по нему, в любом направлении, но с четко заданной целью.
Возвращаясь к английским традициям, которые действительно заложили многое в вопросах мореплавания по всему миру, стоит отметить, что и там есть понятие «to go to sea», то есть, дословно, «выйти в море», «идти по морю», а никак не плыть. Английские и другие иностранные заимствования в морском деле – это фактическая норма, удивляться этому не стоит. Так что подобная формулировка могла иметь и английское происхождение.

Ход винта и ход корабля

Штурвал корабля

История использования паруса для обеспечения кораблю хода велика – но даже и тут прослеживается слово «ход». Далее, на смену зависимому от ветров куску материи пришел гребной винт, для которого слово ход стало особенно актуальным. Измеряя скоростные показатели корабля, отмечали, сколько он может пройти за один полный оборот винта. И в этот же период родились команды «малый ход», «полный ход», определяющие, с какой скоростью должно двигаться судно. Корабль идет, потому что он движется за счет тех средств, которые придают ему ход. Корабль идет за счет парусов, винта, двигателя. Это вполне закономерно.

Как правильно: ходит или плавает?

Но правы ли моряки, говоря, что судно идет, относительно правил русского языка? На самом деле, это понятие остается актуальным только для морского жаргона, которым даже сами морские волки не всегда особо стремятся пользоваться на берегу. Придерживаясь правил и норм русского языка, можно отметить, что ходьба – это передвижение посредством ног по суше, а плавание – перемещение по воде или в ее толще, в любых случаях и без исключений. Все, что может держаться на воде или в ее толще, по определению плавает – таковы языковые нормы.

В итоге можно сказать, что по законам русского языка любое судно, корабль, лодка – плавает. Но согласно морскому жаргону, опять же, любое судно, любой корабль или лодка – ходят. Однако официальный морской язык все же не поддерживает таких вольностей, и по его нормам корабль тоже плавает. Отсюда и возникают такие термины, как капитан дальнего плавания, плавающий адмирал, и многое другое. И даже провожая моряков, им желают счастливого плавания, а не хождения или похода.

Жаргон – это сложное явление, характерное для своей среды и актуальное именно для той среды, в которой он появился. Морской жаргон имеет свои глубокие традиции, порой корни тех или иных фраз, слов отыскать бывает непросто. Точно так же можно сказать о фразе «корабль ходит»: существует множество версий, объясняющих происхождение данной формулировки. Сегодня можно только гадать, какая из них является верной. Возможно, их влияние оказалось комплексным, что и сформировало такие суждения в морской среде. Но как бы то ни было, именно так говорят сейчас, и наверняка так будут говорить в будущем.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Силы и частицы

С самого зарождения кораблестроения люди прилагают массу усилий, стараясь создать корабли, которые не тонут. Первые деревянные суда были легче воды. Но развитие науки и знание законов физики позволило строить и стальные, и даже железобетонные суда.

Железобетонные корабли строились в Северной Америке в первой половине XX века, когда во время двух мировых войн ощущался дефицит стали.

Кораблю помогают не тонуть законы физики

Законом Архимеда

Плавучесть судна определяется законом Архимеда: жидкость выталкивает тело с силой, равной весу жидкости в объеме погруженной в нее части тела. Основная хитрость здесь заключается в объеме – чем больше объем корабля, тем более толстыми можно сделать его металлические борта и тем больше дополнительного груза он может взять на борт, оставаясь при этом на плаву. Так получается потому, что основной внутренний объем корабля заполнен воздухом, который в 825 раз легче воды. Именно воздух придает плавучесть кораблю.

По этому же принципу возможно погружение и всплытие подводных лодок – при погружении балластные цистерны заполняются водой, лодка теряет плавучесть и погружается. При всплытии – в них подают воздух под давлением, вытесняющий воду. По этому же принципу плавает в ванне металлический тазик – внутри него находится воздух, занимающий большую часть всего объема тазика. Если же внутренний объем тазика заполнить камнями или металлом – он утонет, потому что вес его станет слишком большим.

Инженерные решения-остойчивость корабля

На плавучесть корабля, его способность сопротивляться силам ветра и волн действует принцип рычага. Если тазик, который спокойно плавает в ванне, запустить в речку – он вскоре наберет воды и утонет, потому что его будет наклонять ветер и захлестывать волны.

малая остойчивость

С кораблем тоже может случиться нечто подобное, если у него малая остойчивость. В истории бывали случаи, когда сотни пассажиров, собравшиеся у одного борта – вызывали крен судна и его затопление. Много кораблей гибло во время штормов из-за того, что их переворачивал ветер и волны.

Остойчивость судна

Остойчивость судна – это его способность сохранять устойчивое положение в воде. Зависит она от места, где находится центр тяжести судна. Чем он ближе к поверхности – тем проще перевернуть корабль и тем меньше остойчивость.

Именно поэтому у современных кораблей самые тяжелые агрегаты – ходовые двигатели, генераторы, танки с запасами воды и топлива находятся в нижней части. Там же располагаются грузовые трюмы. Моряки знают, что на полностью загруженном судне – качка ощущается намного меньше, чем на пустом.

Для смещения центра тяжести как можно ниже, конструкторы специально утяжеляют киль с помощью свинцовых накладок. В спортивных судах утяжеленный киль вообще крепится под судном отдельно на балках и называется выносным.

На остойчивость сильно влияет и форма борта – наименьшей обладают суда с полукруглым дном, наибольшей – спортивные тримараны, имеющие два выносных корпуса-опоры по бокам. Действительно, наличие дополнительных опор в верхней части борта помогает сохранять остойчивость, мешая судну накреняться. Это знали еще в древности и прикрепляли вдоль верхней части борта лодки связки сухого камыша. А современные туристы с этой целью используют надувные баллоны, привязывая их по бортам байдарок.

Обязательные правила морехода

Чтобы избежать смещения центра тяжести, при загрузке современных кораблей используются компьютерные программы, помогающие просчитать – куда и сколько груза можно поместить, чтобы сохранить мореходные качества судна. Ответственным за правильное размещение груза является старший помощник капитана. Он командует погрузкой и в соответствии с расчетами, самые тяжелые грузы размещаются в трюмах, а более легкие – на палубе. Груз на корабле обязательно «найтовится», то есть привязывается. Это нужно, чтобы во время шторма он не перекатывался по трюмам и не изменял центр тяжести судна.

Почему корабли не тонут – интересное видео

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

В древности, корабли как мы знаем делали из дерева, да и не в такой уж хотя и древности. Строить тяжелые металлические корабли стали всего пару столетий назад. В эпоху деревянного флота, ответить на вопрос почему корабль не тонет, не составляло особого труда. Каждый ребенок знает, что дерево обладает определенным запасом плавучести. Есть даже способ перемещения срубленной древесины, когда лесозаготовщики, отправляют бревна по реке вплавь, что называется своим ходом, чтобы ниже по течению, на следующем этапе заготовки их выловили из воды. Такой способ куда менее затратен, чем если бы деревья перевозились по суше.

Все дело в том, что плотность дерева, имеющего довольно пористую структуру, достаточно мала, вот оно и выталкивается водой, держась на плаву. Но попробуйте таким образом, сплавьте по реке, например, металлическую рельсу.

Не нужно идти к ближайшему водоему и ставить опыты. И без них известно, что тяжелый металл на плаву не держится и рельса сразу же утонет. Но ведь современные корабли сделаны из металла, но при этом они превосходно плавают. Как?

Никакого волшебства здесь нет. Все дело исключительно в физике. На самом деле, причина здесь не одна. В первую очередь - это конечно же закон Архимеда, по которому, на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме этого тела. Если простыми словами, то любой объект вода будет стараться вытолкнуть. При этом, чем больше будет объем у объекта, тем сильнее будет выталкивающая сила.

Но, сила выталкивающая корабль и не позволяющая ему утонуть, действует ровно до тех пор, пока вес воды, что вытеснил корабль погрузившись в воду, превышает вес самого корабля. Возьмите металлический тазик и поставьте его в ванну. Он будет прекрасно плавать, потому что он легкий и с большой площадью, на которую прекрасно действует выталкивающая сила. Но начните заполнять тазик грузом, и как только его вес превысит определенную отметку, он пойдет ко дну.

Следовательно, корабль надо облегчить. Для этого, в корпусе судна имеется множество полостей, наполненных воздухом. И пока этот корпус цел, судно будет держаться на плаву. Если вдруг его целостность будет нарушена, корабль начнет набирать воду, а значит. правильно, будет весить больше и, если воды будет слишком много, может и затонуть. По этой причине и грузы помещают на корабль с расчетом на то, чтобы их общий вес не превысил указанные для конкретного судна значения.

Но если соблюдены все правила относительно веса и объема, корабли можно строить хоть из металла, хоть из бетона. Кстати, бетонные корабли история тоже знает. И они вполне не плохо плавали.

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.

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.

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 ρ_l. 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 F_A определяется по формуле:

Где V_l - объем жидкости, вытесненной погруженным в нее телом. Эту формулу можно получить самостоятельно, если воспользоваться выражением для гидростатического давления и вспомнить, что сила является произведением давления на площадь воздействия.

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:

направленная вверх сила Архимеда;
действующая вниз сила тяжести тела.

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 F_A по модулю больше, чем сила тяжести F_t. Тогда имеем неравенство:

Подставляем сюда формулы для F_A и F_t, получаем:

Критической ситуацией является такая, при которой тело полностью погружается в жидкость. При этом вытесненный им объем V_l будет точно равен объему самого тела V_s. Последнее позволяет переписать полученное неравенство в следующем виде:

Это и есть основное условие плавания судов. То есть если средняя плотность судна не превышает плотности текучей субстанции, в которой оно находится, то это судно никогда не утонет.

Отметим, что в случае равенства плотностей положение тела в жидкости будет неустойчивым. Любого незначительного внешнего воздействия будет достаточно, чтобы потопить тело или поднять его на поверхность.

Особенности использования закона Архимеда для плавания в жидкостях и газах

В воде плавание судов и воздухоплавание подчиняются одному и тому же закону Архимеда.

В случае плавания кораблей следует сказать, что их корпус изготовлен из металлического материала. Однако вытесняемый ими вес воды (водоизмещение) превышает их собственный вес, поэтому они держатся на плаву (средняя плотность корабля с его каютами и трюмом намного меньше плотности воды).

Идея плавания подводных лодок заключается в изменении их средней плотности. Для этого подводная лодка использует специальные балластные емкости, в которые вода из моря может либо нагнетаться, либо из них откачиваться. В первом случае лодка будет погружаться, во втором - всплывать. По сути, эта идея заимствована у природы в результате наблюдений за тем, как рыбы используют свой плавательный пузырь.

Говоря о плавании судов и воздухоплавании, скажем пару слов о последнем. Ярким примером воздушного судна является воздушный шар, или аэростат. Его объем заполнен воздухом. Если этот воздух подогреть, то он начнет расширяться, что приведет к уменьшению плотности шара. Последний факт является следствием того, что архимедова сила становится больше веса шара, и он взлетает.

Ниже приведено познавательное видео на рассматриваемую тему.

Задача на вычисление грузоподъемности корабля

Известно, что максимальное водоизмещение корабля равно 1000 тонн. Масса корабля составляет 300 тонн. С каким максимальным грузом он может плыть?

Запишем условие плавания корабля через действующие силы. В данном случае их будет три:

Откуда получаем вес груза P₂:

Это неравенство можно переписать для соответствующих масс:

Здесь m₁ - масса корабля, m_A - масса вытесненной жидкости, которая совпадает с водоизмещением.

Подставляем данные из условия задачи в неравенство и получаем, что масса груза не должна превышать 700 тонн.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: