На чем основано плавание судов кратко

Обновлено: 05.07.2024

По воде плавают огромные металлические судна. Они перевозят грузы. Какие физические явления способствуют удержанию тяжёлых судов на воде?

Для плавания тела на поверхности жидкости необходимо, чтобы сила тяжести , действующая на тело, была уравновешена отталкивающей силой .

Любое судно (лодка, корабль) частично погружается под воду. Получается, что у плавающего судна есть надводная и подводная часть.

Ватерлиния — это максимальный уровень, на который может погрузиться плавающее судно; максимальная допустимая осадка.

Российский атомный ледокол "Арктика" имеет высоту $15,2$ м. Рабочая осадка $8,55$ м, полная осадка $10,5$ м.

Массу корабля составляет корпус, экипаж, груз, топливо, оснастка. При уменьшении груза водоизмещение судна изменится.

Как известно, судно может погрузиться в воду не ниже ватерлинии, что и соответствует его наибольшему водоизмещению. Следует учитывать, что плотность пресной воды отличается от плотности морской воды, поэтому осадка судна таких водах будет отличаться.

Первую подводную лодку изобрел нидерландский судостроитель Корнелий ван Дреббель, которую он и построил в Англии в 1620 году.

В России построить подводную лодку пытались еще при Петре Великом. В Петербурге на галерном дворе действующая модель подводной лодки прошла испытания. Но со смертью царя проект не был доведён до конца.

Первая русская подлодка конструктора Ивана Александровского была построена на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге в 1866 году.

При погружении в воду в современных подводных лодках применяют балластные цистерны, которые поэтапно заполняются водой.

При всплытии подводной лодки воздухом высокого давления продуваются балластные цистерны, т.е. вода вытесняется воздухом. Процесс происходит поэтапно.

В настоящее время подводные лодки находятся на вооружении 39 стран. Это поистине большие сооружения. Например, подводная лодка Дмитрий Донской характеризуется водоизмещением $28 500$ т и длиной $172$ м. Предельная глубина погружения $400$ метров. Скорость движения (под водой) $50$ км/ч.

Судно вытесняет своей подводной частью столько воды, что вес этой воды равен весу этого судна в воздухе.

2. Что называют осадкой судна?

Глубину, на которую судно погружается в воду, называют осадкой.

3. Что такое ватерлиния?

Наибольшая допускаемая осадка отмечена на корпусе судна красной линией, называемой ватерлинией (от голанд. ватер-вода).

4. Что называют водоизмещением судна?

Вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом, называется водоизмещением судна.

Из предыдущих уроков мы узнали, при каких условиях тела тонут, при каких всплывают, а при каких остаются в равновесии в жидкости ($F_>F_A$ — тело тонет, $F_=F_A$ — тело плавает, $F_ \rho_ж$ — тело тонет, $\rho_т

Принцип плавания судов

В прошлом уроке мы провели опыт с плавающим телом, который показал, что тело вытесняет своей частью, находящейся под водой, столько воды, что ее вес равен весу тела в воздухе. Это утверждение справедливо для любого судна.

Очевидно, что раз суда держаться на поверхности воды, то они спроектированы таким образом, что вес воды, вытесняемой подводной частью судна, равен весу всего судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Большое значение имеют форма и строение судна. В подводной части находятся полости (почти всегда это используемые помещения), в которых есть воздух. Таким образом, средняя плотность судна меньше плотности воды.

Характеристики судов

Рассмотрим несколько важных характеристик судов:

Осадка – это глубина, на которую судно погружено в воду (рисунок 1). Осадка современных танкеров и контейнеровозов при полной загрузке (несколько сотен тысяч тонн груза) может достигать 23 метров. При этом часть судна над водой будет иметь высоту всего 5-6 метров.
Ватерлиния – это максимально допустимая осадка судна. Отмечена на корпусе судна красной линией (рисунок 1). Судно погружается глубже в воду при его загрузке.

Водоизмещение судна – это вес воды, которую вытесняет судно при погружении до ватерлинии (рисунок 2). Вес этой воды равен силе тяжести, которая действует на судно с грузом.
Грузоподъемность судна – это максимально допустимый вес перевозимого груза (рисунок 2). Его можно найти, если из водоизмещения вычесть вес самого судна.

Также отметим, что осадка судна в соленой и пресной воде будет различна. Плотность соленой воды больше плотности пресной, поэтому осадка в море или океане, будет меньше, чем в реке или озере.

История судостроения

С древних времен у людей была необходимость преодолевать водные преграды. Люди строили примитивные плоты, корзины, обтянутые кожей животных, лодки, которые выдалбливали или выжигали из большого цельного ствола дерева (рисунок 3).

Рисунок 3. Экспонат Национального музея Республики Карелия.

В 1807 году в США был построен первый пароход. Так у парусных судов появилась конкуренция – судна с паровыми машинами (рисунок 5).

Если раньше все суда строились из дерева, то в 1787 году было построено первое судно из железа. А со второй половины XIX века железо начали заменять сталью.

В 1903 году в России построили первый теплоход. Такие суда приводятся в движение с помощью двигателя внутреннего сгорания (рисунок 6).

На данный момент самый большой контейнеровоз в мире построен южнокорейской судостроительной компанией (рисунок 9). Он имеет длину 400 метров и площадь палубы более $24 000 м^2$. Он перевозит около 24 000 контейнеров с грузом (если их расположить в одну линию, то ее длина составит 150 км).

Легко смириться с фактом, что небольшая деревянная лодка выдерживает вес пары взрослых мужчин с рыбацким снаряжением. Понять, как не тонут многотонные металлические боевые корабли и танкеры с контейнерами, человеческому мозгу сложно. Это до момента, пока у ребёнка нет знаний физических законов, объясняющих на чем основано плавание судов. Разберёмся, за счёт каких сил и явлений тяжёлые на первый взгляд предметы не тонут в жидкости, а масло всегда держится на поверхности воды.

Закон Архимеда

Определить, сделана корона царя из чистого золота или с примесями иных металлов.
Доказать, что ювелир сжульничал, добавив в расплавленное серебро примесей.

Уже тогда была известна формула вычисления объёма тел при известных массе и плотности. С весами проблемы не было, а определить объём сложного украшения крайне сложно, не переплавив его в слиток.

Инженер сделал открытие, носящее название закон Архимеда: погруженное в жидкость либо газ, тело выталкивается с силой, равной массе вытесненного телом жидкого или газообразного вещества. Эта выталкивающая сила называется гидростатической либо архимедовой. Действует она только в условиях гравитации, в невесомости – нет.

Если помещённое в жидкость тело плавает, значит значение выталкивающей силы по модулю больше гравитации.

Плавучесть судна

Плавание судов и воздухоплавание объясняются законом Архимеда. В покое давление в жидкости объясняется ударами перемещающихся молекул одна о другую. При погружении предмет вытесняет часть жидкости. Молекулы будут ударяться о предмет. Если боковые силы уравновешиваются, то оказываемое снизу давление выталкивает тело наверх. И с ростом глубины сила Архимеда растёт – чем глубже предмет, тем сильнее выталкивающая его сила.

Почему стальные судна, в разы плотнее воды, не тонут в ней? Количество вытесняемой ими жидкости равняется объёму находящегося в жидкости металла (корпуса) и воздуха, который содержится в нём. Сталь плотнее воды всего в 7,8 раз, а воздух – реже неё приблизительно в 770 раз. Фактическая плотность погруженного в воду корабля в разы меньше, чем воды, поэтому жидкость выталкивает его наверх.

То же касается полётов на воздушном шаре: в нём используется более лёгкий или менее плотный за воздух гелий: 1,29 кг/м 3 против 0,179 кг/м 3 .

Что такое масса воды, вытесняемая плавающим судном

Осадкой судна называют глубину его погружения в воду, максимальное значение обозначается ватерлинией – обычно красной линией.

Водоизмещение – масса воды, вытесняемой погруженной частью плавающего судна. Она весит столько, сколько корабль, независимо от габаритов. Водоизмещение оказывает влияние на загруженность судна, на дальности плавания судна не сказывается.

Читайте также: