Почему железный гвоздь тонет в воде а многотонный корабль нет кратко

Обновлено: 23.04.2024

Почему железный гвоздь утопает в воде, а многотонный корабль - нет?

Алиса
Естествознание
2019-10-03 11:31:20
6
1

Средняя плотность железного гвоздя больше плотности воды. Как следует, гвоздь имеет массу больше, чем одинаковое с ним объму количество воды. Это означает, что выталкивающая сила, действует на гвоздь меньше, чем сила тяжести, действующая на него же. Вывод - равнодействующая сил направления вниз, гвоздь утопает. С кораблем - все наоборот. Он снутри полный, и изготовлено это специально, в первую очередь для того чтоб его средняя плотность ( по всему объему ) была меньше, чем плотность воды. Следовательно, корабль имеет массу меньше, чем одинаковое с ним по объму количество воды. Корабль погружается до тех пор, пока сила тяжести, действует на него не уравновесится выталкивающей силой. Вывод - равнодействующая сил равна нулю, корабль плывет.

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.

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.

7 Комментариев “ Почему корабли не тонут ”

Ева Меркулова сказал:

glazastik сказал:

Яна Соколова сказал:

Не знала, что корабль не потонет даже с пробоиной в корпусе ниже уровня воды.

glazastik сказал:

Почему парадокс Архимеда?

glazastik сказал:

Парадокс состоит в том, что создаётся иллюзия, будто бы корабль может плавать и не тонуть в небольшом объёме воды. Это софизм, так как учитывается сила тяжести, заставляющая тело погружаться в воду и вымещать соответствующий её объём, но не учитывается эта же сила, действующая на воду.

Почему железный гвоздь утопает в воде, а многотонный корабль - нет?

Алиса
Естествознание
2019-10-03 11:31:20
6
1

Почему гвоздь в воде тонет, а корабли из той же стали плавают по поверхности?

При погружении в жидкость тело вытесняет такой объем жидкости, какой занимает само тело. Если бы кораблы был сделан буз пустот, из сплошного куска металла, он бы непременно бы утонул. Благодаря пустотам объем корабля увеличивается, а объем вытесненной воды остается прежним. Поэтому вода не переливается через борт и не заливает каюты.

Потому, что гвоздь полностью сделан из железа, в нем нет полостей, а его плотность во много раз больше плотности воды.
А корабли сделаны так, что из стали сделана лишь оболочка. Внутри же их - воздух. Так что, погружаясь, корабль погружает в воду и воздух (звучит коряво, но это так), а плотность воздуха во много раз меньше плотности воды, поэтому на нго действует сила Архимеда и выталкивает уорабль.

Читайте также: