Статья
Плавание судов. Плавание судов — физика (7 класс)
0

Плавание судов. Плавание судов — физика (7 класс)

by admin07.12.2018

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:

P = ρl*g*h

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

Гидростатическое давление

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.

Действие силы Архимеда

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:

FA = ρl*g*Vl

Где Vl — 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?

Действие выталкивающей силы

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 FA по модулю больше, чем сила тяжести Ft. Тогда имеем неравенство:

FA>Ft

Подставляем сюда формулы для FA и Ft, получаем:

ρl*g*Vl > ms*g =>

ms < ρl*Vl

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

ρs*Vs < ρl*Vl =>

ρs < ρl

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

Корабль из металла

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.

Воздушный шар

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.

Плавание судов. Плавание судов - физика (7 класс)

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:

  • вес корабля P1;
  • вес груза P2;
  • выталкивающая сила FA.

Имеем:

P1 + P2 < FA

Откуда получаем вес груза P2:

P2 < FA — P1

Это неравенство можно переписать для соответствующих масс:

m2 < mA — m1

Здесь m1 — масса корабля, mA — масса вытесненной жидкости, которая совпадает с водоизмещением.

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

Источник

About The Author
admin

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *