Корабли, лодки, плоты и другие тела удерживаются на плаву из-за наличия у воды выталкивающих свойств. Как и все остальные жидкости, вода создает направленное вверх давление, которое может поддерживать помещенные в воду твердые предметы.
У кораблей в процесс обеспечения плавучести вовлечено несколько факторов, в том числе форма судна, его прочность и предусмотренные средства для противодействия волнам. В общем случае, корабль будет держаться на воде, если объем воды, который он вытесняет, весит больше, чем сам корабль. У такого корабля направленная вверх сила давления воды на корпус будет преодолевать направленную вниз силу тяжести, которая может считаться приложенной в одной точке, называющейся центром тяжести. Говорят, что корабли сохраняют устойчивость (на языке специалистов - остойчивость), если после накреняющих силовых воздействий таких факторов, как волны или ветер, они могут вернуться на ровный киль. Если корабль неправильно спроектирован или загружен, подобные внешние воздействия могут привести к потере остойчивости и корабль может пойти ко дну.
Закон Архимеда
Подвешенный на пружинных весах кубик (рисунок под текстом) весит в воде меньше (правая часть рисунка), чем в воздухе (левая часть рисунка). При погружении кубик вытесняет объем воды, вес которого равен уменьшению реса кубика. Связь между объемом погруженного тела и силой, выталкивающей это тело вверх, была впервые описана греческим математиком Архимедом в третьем столетии до нашей эры.
Слабо загруженный корабль имеет небольшую осадку, так как при большем погружении корпуса выталкивающая сила (синяя стрелка) начинает превышать силу тяжести (красная стрелка). Полностью загруженный корабль сидит в воде глубже, вытесняя больший объем воды, чем легкий корабль.
- Когда корабль держится на поверхности воды вертикально, его центр тяжести и выталкивающая сила находятся на одной линии. Корабль находится в равновесии.
- Когда корабль накреняется, выталкивающая сила смещается в сторону; в результате, выталкивающая сила давит вверх, сила тяжести тянет вниз и крен выправляется.
- Если центр тяжести накрененного корабля слишком сильно смещен вверх и расположен на слишком большом удалении от центра плавучести, корабль опрокинется.
Смещение центра тяжести
Три схематических разреза корабля на рисунке показывают, как загрузка влияет на остойчивость. Полный трюм корабля (ближний разрез) сводит центр тяжести и точку приложения выталкивающей силы (центр плавучести) близко друг к другу, делая корабль остойчивым. Накрененный волнами, такой корабль легко восстанавливает положение равновесия. В корабле с пустым трюмом (средний разрез), центры тяжести и плавучести отстоят друг от друга на большом расстоянии, поэтому корабль неустойчив. Вес заполненных водой балластных резервуаров (дальний разрез) восстанавливает остойчивость корабля.
Устройства для уменьшения качки
Два резервуара в корпусе (рисунок над текстом) помогают уменьшать бортовую качку. Вес воды, перетекающей из одного резервуара в другой, противодействует боковым ударам волн.
Носовой резервуар, попеременно заполняющийся водой и опорожняющийся, уменьшает килевую качку корабля в бурных морях.
Если вы построите деревянный плот, то сможете плыть на нем. Если же вы построите плот из железа или какого-нибудь другого металла, то он пойдет ко дну. Причина того, что деревянный плот не тонет, а железный тонет, кроется в разной плотности дерева и железа. Дерево менее плотный материал, чем вода, поэтому выталкивающая сила воды больше силы тяжести, действующей на деревянный плот (или больше его веса). Железо плотнее воды, и ее выталкивающая сила не способна преодолеть вес железного плота.
В прежние времена корабли и лодки строили в основном из дерева. Сейчас же они преимущественно сделаны из металлов. В чем же фокус? Почему корабли не тонут? Может быть внутри корабля много дерева, и оно «побеждает» железо?
Конечно, если взять большую доску и обшить ее сверху тонким листом металла, то вся конструкция не потонет. Ведь ее средняя плотность окажется меньше плотности воды. Если, например, плотность дерева равна 600 кг/м 3 , и доска имеет массу 100 кг, а железная обшивка имеет плотность 7800 кг/м 3 и массу 10 кг. То общая масса составит 120 кг, а общий объем 100 / 600 + 10 / 7800 ≈ 0,1667 + 0,0013 = 0,168 (м 3). Отсюда находим среднюю плотность конструкции 120/0,168 ≈ 714 (кг/м 3). Это меньше плотности воды (1000 кг/м 3), значит, конструкция будет плавать.
Однако, на самом деле все еще проще. Зачем обшивать дерево? Можно просто оставить внутри пустую полость и сделать так, чтобы туда не попадала вода. Точнее не пустую, а заполненную воздухом. Плотность воздуха всего 1,29 кг/м 3 .
Именно поэтому корабли, сделанные из металлов, плавают. Внутри них существуют большие полости, заполненные воздухом. В результате этого средняя плотность корабля меньше плотности воды, и выталкивающая сила удерживает корабль на плаву.
Если в полости корабля попадет вода, то он конечно же затонет. Чтобы возможность затопления свести на минимум, в подводной части корабля строят перегородки. В результате получаются отсеки, в которых вода из одного не может попасть в другой. Если корабль получит пробоину, то затопится только отсек в месте пробоины. Остальные останутся заполненными воздухом и будут удерживать корабль на плаву.
В любом случае корабль имеет вес. Этот вес равен весу воды, объем которой корабль «занимает» собой в море.
Как известно, корабли плавают не просто так, а перевозят различные грузы и людей. Пустой корабль весит меньше, а значит меньше будет «осаживаться» в море. Если его нагрузить, то корабль осядет в воду глубже. При чрезмерной нагрузке, корабль может вообще уйти под воду и утонуть.
Поэтому на корпусе судов отмечают специальную линию (ватерлинию ). Судно не должно погружаться в воду так, чтобы эта линия оказалась под водой. Иначе любая сильная волна, плеснув воду на корму, может легко затопить корабль.
С другой стороны, пустое судно не должно быть слишком легким. Иначе его подводная часть будет слишком маленькой по отношению к надводной. В таком случае волны и ветер могут опрокинуть корабль.
Корабль, загруженный по ватерлинию, вытесняет самый большой объем воды. Вес этой воды называется водоизмещением конкретного судна. Грузоподъемность судна - это разность между водоизмещением и весом пустого судна; или, проще говоря, разность между загруженным кораблем, когда он имеет осадку по ватерлинию, и весом судна без груза.
Способность держаться на поверхности воды свойственна не только кораблям, но и некоторым животным. Взять хотя бы водомерку. Это насекомое из семейства полужесткокрылых уверенно чувствует себя на водной глади, перемещаясь по ней скользящими движениями. Такая плавучесть достигается благодаря тому, что кончики лапок покрывают жесткие волоски, которые не смачиваются водой.
Ученые и изобретатели надеются, что в будущем человек сможет создать транспортное средство, которое будет передвигаться по воде по принципу водомерки.
Но в отношении традиционных судов принципы бионики не действуют. Объяснить плавучесть корабля, сделанного из металлических деталей, сможет любой ребенок, знакомый с основами физики. Как гласит закон Архимеда, на тело, которое погружается в жидкость, начинает действовать выталкивающая сила. Ее величина равна весу воды, вытесняемой телом при погружении. Тело не сможет , если сила Архимеда превышает вес тела или равна ему. По этой причине корабль остается на плаву.
Чем больше объем тела, тем больше воды он вытесняет. Железный шар, опущенный в воду, тут же утонет. Но если его раскатать до состояния тонкого листа и сделать из него полый внутри шар, то такая объемная конструкция будет держаться на воде, лишь слегка в нее погрузившись.
Суда с металлической обшивкой строят таким образом, чтобы в момент погружения корпус вытеснял очень большое количество воды. Внутри корабельного корпуса имеется множество пустых областей, заполненных воздухом. Поэтому средняя плотность судна оказывается значительно меньше, чем плотность жидкости.
Как сохранить плавучесть судна?
Корабль держится на плаву, пока его обшивка исправна и не имеет повреждений. Но судна окажется под угрозой, стоит ему получить пробоину. Сквозь прореху в обшивке внутрь судна начинает поступать вода, заполняя его внутренние полости. И тогда корабль вполне может затонуть.
Чтобы сохранить плавучесть судна при получении пробоины, его внутреннее пространство стали разделять перегородками. Тогда небольшая пробоина в одном из отсеков не угрожала общей живучести судна. Из отсека, который подвергался затоплению, с помощью насосов откачивали воду, а пробоину старались заделывать.
Хуже, если повреждалось сразу несколько отсеков. В этом случае судно могло утонуть из-за потери равновесия.
В начале XX века профессор Крылов предложил умышленно затапливать отсеки, расположенные в части судна, которая противоположна тем полостям, что подверглись затоплению. Корабль при этом несколько осаживался в воду, но оставался в горизонтальном положении и не мог утонуть в результате переворачивания.
Предложение морского инженера было столь необычным, что на него долгое время не обращали внимания. Только после поражения российского флота в войне с Японией его идею взяли на вооружение.
Современные океанские лайнеры по своим характеристикам выгодно отличаются от тех парусных судов, которые бороздили морские просторы несколько веков назад. Казалось бы, нынешние технологии должны обеспечить кораблям высокую живучесть и непотопляемость. Однако и теперь морские суда время от времени тонут. Причины морских катастроф могут быть самыми разными.
Инструкция
Современные суда оснащают самыми совершенными навигационными системами. Материалы, из которых изготовляют корпуса кораблей, отличаются высокой прочностью, устойчивостью к износу и повреждениям. Но время от времени в печати появляются печальные сообщения о гибели морских судов. Эти неприятности случались на море много веков назад, невозможно полностью исключить морские катастрофы и в XXI столетии.
Самая распространенная причина происходящих с кораблями катастроф заключается в пренебрежительном отношении экипажа к правилам мореходства. Опытные моряки знают, самое безопасное место для корабля – это суша. В море или океане корабль всегда подстерегают многочисленные неприятности. Особенно опасно плавание возле прибрежной полосы. Именно здесь чаще всего встречаются сильные течения, отмели и скалы, которые могут повредить судно.
Действительно, очень часто судно получает неустранимые повреждения, когда на полном ходу натыкается на препятствие. Обшивка корпуса достаточно крепка, но и она имеет предел прочности. Если судно получило серьезную , в трюм начинает поступать вода, которая заполняет отсеки. По этой причине судно теряет устойчивость и вполне может перевернуться.
Чтобы снизить вероятность затопления, внутреннее пространство современных кораблей стараются делить на герметичные отсеки, внутри которых устанавливают мощные насосы, способные откачать воду. Хуже всего, когда пробоина настолько велика, что помпы не могут справиться с нагрузкой. Большую прореху в обшивке заделать в море практически невозможно. Экипажу остается надеяться только на спасательные средства.
Любой корабль проектируется так, чтобы он имел определенный запас прочности и плавучести. Если поврежденное судно оказывается в океанских просторах в условиях сильного волнения или даже настоящего шторма, шансы на то, что корабль останется на плаву, уменьшаются. В условиях мощных волн некоторые суда, имеющие узкий и длинный корпус, вполне могут переломиться пополам. Итогом становится неминуемое погружение корабля под воду.
Еще одна из причин затопления корабля – неправильно размещенный и небрежно закрепленный груз. При шторме содержимое трюма вполне может переместиться в сторону, что нередко приводит к возникновению сильного крена. Если нагрузка на один из бортов становится критической, корабль способен опрокинуться набок и даже перевернуться вверх дном, после чего судно может пойти ко дну.
Полностью гарантировать безопасность при движении корабля по водным просторам нельзя. Но можно снизить вероятность трагедии, если неукоснительно соблюдать все правила вождения судов, выработанные многими поколениями мореходов, и с предельным вниманием отнестись к изменяющимся условиям, в которых проходит плавание.
Издревле человечество стремилось осваивать речные и морские просторы планеты. Первые ареалы расселения человека были образованы на берегах рек, озер, морей. Речные и морские пути – это первейшие транспортные магистрали, используемые человеком. Для освоения водных ресурсов развилась целая наука – судостроение. Постройка кораблей основана на целом комплексе наук и ремесел, опыте специалистов и технических достижениях
История судостроения
Историческая наука не может определить точных дат начала строительства судов. Но во многих письменных источниках упоминается о морских судах и существовании торговых путей, которые связывали между собой человеческие поселения. Эти свидетельства подтверждают высокие достижения древних кораблестроительных технологий. Первые простейшие суда задолго до колесной повозки.В мифологии приведены детальные описания постройки кораблей. Уже примерно 2500 лет назад корабли различались по своему назначению - для перевозки грузов и для транспортировки пассажиров. Корабли приводились в действие шестами, веслами, парусами. Уже позднее стали строить судна для отдыха богатых людей. Основным материалом для постройки кораблей было дерево. Современные суда строят из металла, причем толщина каркаса может быть такой, что ее практически невозможно пробить.
Как корабль держится на воде
Способность корабля плавать в определенном положении определяется термином «плавучесть».Плавучесть - свойство погруженного в жидкость тела оставаться в равновесии, не выходя из воды и не погружаясь дальше, то есть плавать.
Плавучесть судна обоснована тем, что сила тяжести судна уравновешивается выталкивающими силами воды, которые возникают в процессе гидростатического давления на корпус корабля. Эту взаимосвязь вывел в своем законе древнегреческий ученый Архимед. Выталкивающие силы воды зависят от плотности жидкости и объема корпуса корабля. Под действием этих сил корабль может двигаться.
Гидростатическое давление - это отношение сил к площади тела внутри любой жидкости, обусловленные весомостью жидкости.
Имеется несколько условий для плавания судна: если сила тяжести корабля больше гидростатического давления, то судно будет ; если сила тяжести корабля равна гидростатическому давлению, то судно будет находиться в равновесии в любой точке жидкости, будет плавать внутри жидкости; если сила тяжести меньше гидростатических сил, то судно будет держаться на поверхности.
Корабли по своей массе действительно тяжелые, но у них достаточный запас воздуха внутри корпуса и высокие борта. Сила тяжести любого судна меньше гидростатических сил воды, поэтому корабли держатся на воде. Если превысить грузоподъемность судна, то сила тяжести будет больше воздействия гидростатических сил, и корабль затонет. Аналогичная ситуация возникнет, если судно получило пробоину. Корпус наполнится водой, сила тяжести увеличивается, корабль тонет.
Если бросить в воду маленький камешек или медную монетку, они немедленно пойдут ко дну. Почему же тогда массивное и тяжелое деревянное бревно не тонет, а всего лишь слегка погружается в воду? Здесь срабатывают законы физики. Способность предметов плавать на поверхности жидкости объясняется различиями в плотности веществ.
Что такое плотность
Под плотностью вещества в подразумевают физическую величину, в которой между собой соотносятся масса и объем какого-либо тела. Плотность – существенный и относительно постоянный признак вещества, который широко используется для распознавания различных материалов, природа которых на глаз не определяется.
Зная плотность вещества, можно установить массу тела.
Любые тела, которые окружают человека в повседневной жизни, состоят из разнообразных материалов или веществ. Людям в быту и производственной деятельности часто приходится иметь дело с металлами, древесиной, пластмассами, камнем и так далее. Каждый материал имеет свою плотность. По этой причине масса двух разных предметов, имеющих одинаковые объем, форму и размеры, но изготовленных из разных веществ, будет различной.
Почему не тонет бревно
Различия в плотности воды и древесины как раз и позволяют тяжелому и массивному бревну не тонуть, а уверенно держаться на поверхности. Дело в том, что при нормальных условиях плотность воды равна единице. А вот у дерева этот показатель гораздо ниже. Поэтому увесистый кусок сухого дерева удерживается на поверхности жидкости, совсем незначительно в нее погружаясь.
Однако при определенных условиях утонуть способно и дерево. Если бревно длительное время находилось в воде, оно постепенно пропитывается влагой и набухает. В этом случае плотность бревна изменяется и может превысить плотность жидкости. Это явление часто наблюдалось во время промышленного сплава бревен по воде, когда они перегонялись к месту переработки естественным путем, без применения транспорта.
На реках, в местах усиленного сплава леса, до сих пор можно обнаружить так называемые топляки. Это бревна, которые полностью или частично затонули, легли на дно или зависли в слегка подтопленном состоянии. Топляки доставляют много неприятностей рыболовам-любителям. Они также представляют опасность для судов, движущихся с высокой скоростью.
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
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.
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 – 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.
Весь корпус корабля разделен на герметичные отсеки. В нормальном состоянии перегородки между отсеками открыты. Когда корабль получает пробоину – тот отсек, где она расположена, перекрывается герметичными перегородками, чтобы вода не могла заполнить весь корпус.
Опасно во время шторма разворачивать корабль «лагом к волне», то есть боком. Слишком велика вероятность, что сильная волна перевернет корабль. Также опасна и волна в корму. Поэтому часто океанские суда во время сильных штормов начинают двигаться носом против волн, уходя с намеченного курса – это самый безопасный для корабля способ пережить непогоду. И только после окончания шторма они возвращаются на нужный курс.
Плавучесть и остойчивость судна – это основные его качества, обеспечивающие безопасность. Поэтому правила, помогающие сохранить их – обязательны к соблюдению. А конструкторские решения, способствующие их улучшению, всегда приветствуются.
Помогал проводить Денис Зеленов. 10 лет.
Летом Денис купался на Волго - Донском канале. Смотрел на большие корабли, как они идут по каналу, поднимаются и опускаются в камере шлюза. И задумался: что позволяет им не только держаться на воде, но и перевозить тяжелые грузы?
Почему корабли могут ходить по воде?
Причин несколько.
1. Плотность
Опыт 1
Все мы знаем, что если бросить в воду деревянную доску, то она будет лежать на ее поверхности, а вот металлический лист такого же размера сразу начинает тонуть.
Почему так происходит? Это определяется не весом предмета, а его плотностью . Плотность – это масса вещества, заключенная в определенном объеме.
Опыт 2
Мы взяли кубики 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 3
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. Предположим, делать его из такого материала, который имеет плотность меньше плотности воды и не тонет – например, из дерева. Из истории мы знаем, что человек именно из дерева делал вначале плоты, а затем лодки, используя свойство дерева –плавучесть.
Сегодня мы видим много кораблей сделанных из металла, но они не тонут. 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 4
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.
2. Выталкивающая сила
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.
Опыта 5
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.
1-Силы поддержания; 2-Давление воды на борт судна
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 6
Положим на плавающую доску небольшой груз –они тонут. 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.