Плавание судов. Воздухоплавание

Почему вообще что-то плавает?

На тело в воде действуют две силы: сила тяжести тянет вниз, сила Архимеда (выталкивающая) — вверх. Тяжесть больше — тонет; Архимед больше — всплывает; равны — плавает. Мы разбирали это в теме «Действие жидкости и газа на погружённое тело».

Главная загадка: почему железный корабль не тонет?

Железный гвоздь тонет, железный лом тонет. А огромный корабль из стали — плавает. Дело не в материале, а в форме и объёме вытесненной воды.

Корабль — не сплошной кусок металла. Внутри — воздух, трюмы, каюты, пустые помещения. Поэтому средняя плотность всего корабля вместе с воздухом меньше плотности воды. А его широкий корпус вытесняет очень много воды — и чем больше воды вытеснено, тем больше сила Архимеда.

Поэтому тяжёлый корабль сидит в воде глубже: чтобы плавать, ему нужно вытеснить больше воды. Разгрузили — поднялся выше. Попробуй сам:

Осадка и водоизмещение

Почему перегружать судно опасно

Чем больше груз — тем глубже осадка, это нормально. Но если перегрузить, борт окажется у самой воды. Волна или крен — и вода попадёт внутрь. От этого судно тяжелеет, погружается ещё сильнее, воды заходит ещё больше — так корабль может затонуть. Поэтому у судов есть предельная загрузка, её нельзя превышать.

Та же беда при пробоине: вода заполняет трюмы, вытесняет воздух, средняя плотность растёт — и силы Архимеда перестаёт хватать.

Подводная лодка: и плавает, и ныряет, и всплывает

У лодки есть балластные цистерны. В них можно впускать воду или вытеснять её сжатым воздухом — так лодка меняет свой вес:

• Погружение: впускают воду → лодка тяжелее → тонет;
• Всплытие: сжатый воздух вытесняет воду → лодка легче → всплывает;
• Ход на глубине: вес и сила Архимеда уравновешены → лодка идёт на нужной глубине.

Река или море?

Солёная морская вода плотнее пресной. При том же объёме погружённой части выталкивающая сила в море больше, поэтому одно и то же судно в море сидит немного выше, чем в реке. И человеку в море держаться на воде легче.

Воздухоплавание: воздух тоже выталкивает

Сила Архимеда действует не только в воде, но и в газах. Воздух выталкивает тела вверх, просто для обычных предметов эта сила мала. Но для большого лёгкого тела она заметна — так работают воздушные шары, аэростаты и дирижабли.

Шар с гелием

Шар вытесняет воздух, воздух толкает его вверх. Гелий легче воздуха, поэтому вес шара с гелием может оказаться меньше веса вытесненного воздуха — и шар поднимается.

Тепловой аэростат

Большой шар можно поднять и горячим воздухом: при нагревании воздух расширяется и становится менее плотным. Средняя плотность шара падает ниже плотности окружающего воздуха — и он взлетает. Включаешь горелку — шар поднимается; воздух остыл — опускается. Попробуй:

Подъёмная сила и дирижабли

У воздушного шара подъёмная сила — это выталкивающая сила воздуха. Воздух толкает шар вверх, тяжесть тянет вниз: сила Архимеда больше веса — шар поднимается; равны — висит на высоте; меньше — опускается.

Дирижабль — это огромный управляемый шар с лёгким газом (гелием) внутри. Большой объём вытесняет много воздуха, а двигатели и рули позволяют лететь в нужную сторону, а не по ветру.

Что общего у судна, лодки и шара?

Все используют одну идею — среда выталкивает тело вверх по закону Архимеда. Вода держит корабль и подлодку, воздух держит шар и дирижабль. Различается только управление:

• Судно плавает за счёт формы корпуса и большого объёма вытесненной воды;
• Подводная лодка меняет вес, набирая или вытесняя воду из цистерн;
• Воздушный шар поднимается, когда его средняя плотность меньше плотности воздуха.

Мини-задачи