Вступление
Через моря, океаны и другие крупные водоемы, обильно покрывающие нашу планету, ежедневно, а может быть, и ежечасно проходят тысячи надводных кораблей самых разных типов и видов, самых разнообразных размеров и форм. Но благодаря какой силе, благодаря каким законам они осуществляют свой путь по, казалось бы, зыбкой и непрочной водной глади?
С деревянными кораблями все более чем понятно. Ещё древние египтяне, которые и являются изобретателями первых в мире кораблей, заметили что деревянная палка, брошенная в воду, из-за разницы в плотности (дерево как мы знаем, имеет меньшую плотность чем вода) не тонет. Следовательно, корабли, которые предстояло преодолевать большие расстояния на воде, следует строить из дерева. Корабли из этого материала, даже имея относительно большую массу, не могут утонуть.
Но какие физические законы удерживают на поверхности воды суда из железа, плотность которого гораздо больше, чем плотность воды, и которое теоретически должно незамедлительно идти ко дну?
Почему плавают корабли из железа.
Проведем несколько опытов.
Все мы знаем, что если бросить в емкость с водой деревянную доску, то она останется на поверхности воды. Если же мы опустим в ту же емкость железный лист таких же размеров как и деревянная доска, то он опустится на дно. Из-за чего это происходит?
Причина в плотности, которая у дерева и железа различается.
Опыт №1. Мы взяли несколько брусков одинакового размера 70×40х50 мм из разного материала — металл, дерево, камень и пенопласт и взвесили их. И увидели, что кубики имеют разный вес, а следовательно, и разную плотность. Вес кубика из: камня –264гр., пенопласта — 3 гр., металла — 1020 гр., дерева – 70 гр. Отсюда сделали вывод, что из кубиков самый плотный материал – это металл, затем камень, дерево и пенопласт.
Опыт № 2 А что произойдет, если эти кубики опустить в воду? Как видно из опыта камень и металл утонули – их плотность больше плотности воды, а пенопласт и дерево нет – их плотность меньше плотности воды. Значит, любой предмет будет плавать, если его плотность меньше плотности воды. Следовательно, корабль, чтоб он держался на воде, надо сделать так, чтобы его плотность была меньше плотности воды.
Каким образом это можно сделать? Предположим, делать корабль из такого материала, плотность которого меньше плотности воды. Например из дерева. Так и поступали в строительстве кораблей в течении многих веков. Сначала строили из дерева плоты, затем лодки, а потом и более сложные по конструкции суда.
Но на данный момент мы видим корабли сделанные из железа, плотность которого превышает плотность воды, и тем не менее суда из этого материала не тонут и отлично передвигаются по воде. Причина в том, что их корпус наполнен воздухом. Воздух намного менее плотное вещество, чем вода. У корабля образуется, как бы общая, суммарная плотность воздуха и металла. В результате этого средняя плотность корабля вместе с огромным объемом воздуха в его корпусе становится меньше плотности воды. Потому-то и не тонет тяжелый корабль. Подтвердим это опытом.
Опыт № 3 Опустим в воду плоский лист металла – он сразу же тонет, а любая посудина с бортами остается на плаву — в ней образуется запас плавучести. Туда даже можно положить груз.
Так же действует спасательные средства: жилет или круг, одетый на человека. С их помощью удается удержаться на плаву до прибытия спасателей. Кроме того на погруженное в воду тело действует выталкивающая сила. На рисунке мы видим, что на тело со всех сторон действуют силы давления: Силы, действующие в горизонтальном направлении, т.е. на борта судна, взаимно компенсируют друг друга. Давление же на нижнюю поверхность - на днище, превышает давление сверху. Вследствие этого возникает направленная вверх выталкивающая сила. Это хорошо видно из следующего опыта.
Опыт № 4 Мячик с воздухом внутри, погруженный в воду, с силой вылетает из нее вверх. Это действует на мяч выталкивающая сила (сила Архимеда). Она то и удерживает корабль на плаву и позволяет кораблю плавать.
Отчего же зависит действие выталкивающей силы? Первое – это от объема корабля и второе — от плотности воды, в которой корабль плавает. Эта сила тем больше, чем больше объем погруженного тела. Проверим это опытом.
Опыт № 5 Положим на плавающую доску небольшой груз –он тонет.
А вот объем надувной лодки значительно больше, и она может выдержать даже несколько человек.
Второе — выталкивающая сила меняется с увеличением плотности воды. Плотность воды можно увеличить, если ее сильно-сильно посолить. Докажем это следующим опытом.
Опыт № 6
Опустим картофелину в емкость с соленой водой – она остается на плаву. Затем опустим картофелину в емкость с пресной водой –она утонула. Из проведенного опыта видно, что в соленой воде на плаву удерживаются те предметы, которые прежде тонули. Мы увидели, что выталкивающая сила увеличивается с увеличением плотности воды. Следовательно, в море, где вода соленая (с большей плотностью), выталкивающая сила, действующая на корабль больше, чем в реке или озере, где вода пресная и судно может нести грузы большей тяжести. (За эталон принята плотность пресной воды, которая при температуре +4 градуса составляет 1000 кг/м.куб. В море вода соленая и от этого более плотная. Например в Мертвом море плотность воды равна 1278 кг/м.куб.)