Почему не тонут корабли?

Подарки в октябре

Опыты Татьяне Евгеньевне 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:

Опыт 7

Мы залили в шарики желтый и оранжевый соленую воду и опустил их в пресную воду аквариума – они утонули. А зеленый и синий шарики с пресной водой – остаются наплаву. Следовательно, плотность соленой воды увеличилась.

Теперь посмотрим, как изменится выталкивающая сила в более плотной жидкости?

Опыт 8

Опустим картофелину в емкость с солений 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.)

А вот перемещаться в разные стороны по воде корабль заставляют винты в подводной части судна, приводимые в движение мощными двигателями из машинного отделения.

На основании проведенного исследования можно сделать выводы о том, что железные корабли не тонут и плавают потому, что:

  1. Корабль обладает достаточным запасом плавучести.
  2. На корабль действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной кораблем.

Почему суда плавают

Уже в те времена форма корпусов кораблей и лодок походила на современные суда. Опытным путем древними корабельщиками были выведены необходимые параметры, позволяющие строить крупные морские суда и совершать на них дальние путешествия. Но ответ на вопрос, почему корабли, пусть даже деревянные, но порой несущие на себе тяжелые грузы, не тонут был дан лишь много веков спустя.Действие силы, не позволяющей кораблям тонуть, было описано еще древнегреческим ученым Архимедом в III веке до нашей эры. Согласно научным выводам Архимеда, на тело, погруженное в жидкость, постоянно действует выталкивающая сила. Величина силы равна весу вытесненной телом воды. Соответственно, если данная сила (получившая название архимедовой) больше или равна весу тела, то тело не утонет. На корабли действует сила, превышающая их массу, именно поэтому корабли не тонут.Железные суда проектируются и строятся таким образом, чтобы при погружении они вытесняли большое количество воды, вес которой равен их весу, причем, весу в загруженном состоянии. В этом случае на них будет действовать выталкивающая архимедова сила соответствующей величины, не позволяющая кораблю пойти на дно. Так появился термин «водоизмещение», которым обозначают фактический вес судна.Будет предмет плавать или нет, определяется его весом, формой и объемом. Вес предмета заставляет его погружаться в воду. Но если плотность предмета будет меньше плотности воды, которую он вытесняет, то он будет плавать, даже если предмет сделан из материала, который сам по себе тяжелее воды. Благодаря воздуху, находящемуся внутри судов, плотность их меньше, чем кажется по внешнему виду.Регулирование собственного веса за счет контролируемого принятия забортной воды внутрь корпуса позволяет погружаться подводным лодкам, а надводным судам позволяет обеспечивать дополнительную остойчивость.

Почему корабль тяжелый, но не тонет

В древности, корабли как мы знаем делали из дерева, да и не в такой уж хотя и древности. Строить тяжелые металлические корабли стали всего пару столетий назад. В эпоху деревянного флота, ответить на вопрос почему корабль не тонет, не составляло особого труда. Каждый ребенок знает, что дерево обладает определенным запасом плавучести. Есть даже способ перемещения срубленной древесины, когда лесозаготовщики, отправляют бревна по реке вплавь, что называется своим ходом, чтобы ниже по течению, на следующем этапе заготовки их выловили из воды. Такой способ куда менее затратен, чем если бы деревья перевозились по суше.

Все дело в том, что плотность дерева, имеющего довольно пористую структуру, достаточно мала, вот оно и выталкивается водой, держась на плаву. Но попробуйте таким образом, сплавьте по реке, например, металлическую рельсу.

Не нужно идти к ближайшему водоему и ставить опыты. И без них известно, что тяжелый металл на плаву не держится и рельса сразу же утонет. Но ведь современные корабли сделаны из металла, но при этом они превосходно плавают. Как?

Никакого волшебства здесь нет. Все дело исключительно в физике. На самом деле, причина здесь не одна. В первую очередь — это конечно же закон Архимеда, по которому, на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме этого тела. Если простыми словами, то любой объект вода будет стараться вытолкнуть. При этом, чем больше будет объем у объекта, тем сильнее будет выталкивающая сила.

Но, сила выталкивающая корабль и не позволяющая ему утонуть, действует ровно до тех пор, пока вес воды, что вытеснил корабль погрузившись в воду, превышает вес самого корабля. Возьмите металлический тазик и поставьте его в ванну. Он будет прекрасно плавать, потому что он легкий и с большой площадью, на которую прекрасно действует выталкивающая сила. Но начните заполнять тазик грузом, и как только его вес превысит определенную отметку, он пойдет ко дну.

Следовательно, корабль надо облегчить. Для этого, в корпусе судна имеется множество полостей, наполненных воздухом. И пока этот корпус цел, судно будет держаться на плаву. Если вдруг его целостность будет нарушена, корабль начнет набирать воду, а значит… правильно, будет весить больше и, если воды будет слишком много, может и затонуть. По этой причине и грузы помещают на корабль с расчетом на то, чтобы их общий вес не превысил указанные для конкретного судна значения.

Но если соблюдены все правила относительно веса и объема, корабли можно строить хоть из металла, хоть из бетона. Кстати, бетонные корабли история тоже знает. И они вполне не плохо плавали.

Почему корабль ( судно ) не переворачивается во время шторма?

У всякого судна есть две важные точки. Судно имеет вес, и одна точка является центром приложения этой силы. Другая точка является центом приложения выталкивающей силы, это центр давления. Центр тяжести всегда находится выше точки давления. Отсюда следует, что судно изначально склонно к опрокидыванию. Но корпус судно имеет специальную форму, которая в определенных условиях обеспечивает нормальное положение корпуса, но эта форма и способствует возврату судна в вертикальное положение после крена. Как это происходит? При крене судна центр тяжести положение не меняет, а центр давления смещается в сторону крена, выталкивающая сила возвращает судно в вертикальное положение. Ванька-встанька, в этой игрушке центр тяжести тоже выше центра давления, но при наклоне взаимное положение этих центров меняется, как оно меняется у судна. Способность судна сохранять вертикальное положение называется остойчивостью. Но эта способность сохраняется только в пределах заданных углов крена, если крен выйдет за пределы, то судно опрокинется. При шторме судно кренится в заданных пределах, поэтому не опрокидывается, если крен больше, то нужно выбрать курс так, чтобы крен не выходил за пределы. А балласт загружают только в суда без груза. И киль современного судна представляет собой обычный лист стали. Для обеспечения остойчивости правильно размещают груз, топливо, различные расходные материалы. Например, выработанное топливо, использованные продовольствие и воду, замещают забортной водой, замещают водой и груз.

  • Авторы
  • Научный руководитель
  • Файлы
  • Литература

Алексеев С. 1 1 г. Комсомольск-на-Амуре, МБОУ Лицей № 1, 3 класс Токташева Н.Ю. (г. Комсомольск-на-Амуре, МБОУ Лицей № 1) 4517 KB 1. Детская иллюстрированная энциклопедия «Все о технике». Издательство Аванта+, 2008. 2. URL: http://shishkinies.ru/shipkinleyriatilda/sovinform/zasedaniga/Pjchemy korabli 3. Сахарнов С.В. Рассказы и сказки «Плывет по морям корабли» – Москва: «Детская литература», 1982 4. URL: vseznayem.ru/pochemu/60-pochemu-korabli-ne-tonut. 5. URL: scienceland.info›physics7/ships. 6. URL: kakprosto.ru›kak-824332-pochemu-korabli-ne-tonut. 7. URL: naukaveselo.ru/pochemukorabli-ne-tonut.html. 8. URL: dic.academic.ru›ЗаконАрхимеда.

Обоснование выбора темы работы

Однажды мы с родителями отправились в отпуск на море. Мы побывали в Тайланде на острове Пхукет. Там мы плавали по морю на острова, добирались мы до них на катере. Я наблюдал за другими судами, которые плавают в море. Были лодки, на борту которых находились странные предметы.

Паром, он перевозит людей от острова к острову. И двигается намного медленнее, чем катер.

Тогда я и подумал, как передвигаются эти судна по воде и почему они не тонут? Кроме нас на катере было много тяжелых предметов и много людей, но он без труда передвигался по морю.

Рис. 1

Я решил провести исследование и найти ответ на вопрос: «Почему корабли не тонут?».

Считаю, что работа на избранную тему является актуальной в связи с появлением новых моделей кораблей. Их строят из тяжелых материалов, но это им не мешает держаться на плаву и доставлять важные грузы к месту назначения.

После возвращения из отпуска, я узнал, что в нашем городе есть судомодельный кружок, и меня это очень заинтересовало. Стало интересно, как их моделируют и что позволяет им с легкостью держаться на плаву.

Я стал посещать судомодельный кружок, мой преподаватель, Александр Семенович, рассказывает нам о строении кораблей. Я учусь строить корабли из дерева и мне это очень нравиться.

Рис. 2

Цель

Исследование вопроса, позволяющего понять, почему корабли не тонут в воде?

Задачи

1. Собрать и проанализировать информацию о причинах, по которым корабли держаться на плаву.

2. Провести опыты, объясняющие, почему корабли не тонут.

3. Познакомиться с литературой, изучающий данный вопрос.

Объект исследования

Причины плавания кораблей.

Предмет исследования

Изучение взаимодействия жидкости и предметов, помещенных в нее.

Гипотеза

Предположим, корабль имеет особенности строения, позволяющие не тонуть:

1. Материал, из которого изготовлен корабль, не дает ему утонуть.

2. Корабль не тонет, потому что он имеет особую форму.

Корабль не тонет, потому что воздух внутри него держит его на плаву.

Методы

1. Консультация специалиста – преподавателя судомодельного кружка.

2. Изучение познавательной литературы.

3. Работа с компьютером, сбор информации в интернете.

4. Наблюдение и проведение опытов, экспериментов.

Рис. 3

Основная часть

Проверка гипотез и проведение опытов

Сначала я решил обратиться к литературе. Я узнал, что корабль начался с бревна. Повалил человек дерево, обрубил сучья, сел и поплыл. Потом люди начали строить корабли из других материалов: металла, пластика и т.д.

Мой преподаватель, Александр Семенович, рассказывал нам, что вода умеет выталкивать любые тела. Если стоять по горло в воде, опустив руки по бокам, то руки будут постепенно подниматься. Вода выталкивает их. В бассейне я убедился, что это действительно так. Провел опыты:

Опыт № 1 «Влияет ли материал, из которого сделан корабль, на его плавучесть?

Поочередно погружаем в воду предметы, сделанные из металла – гвоздь, дерева – брусочек, стекла – стеклянная пластина и пластмассы – крышка от бутылки. Как видно, предметы из стекла и металла утонули, а из дерева и пластмассы – нет.

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.

Рис. 4

Из уроков окружающего мира я узнал, что все окружающие нас предметы и вещества состоят из крошечных, не видимых глазу частичек – молекул. Те тела, в которых молекулы располагаются очень близко друг к другу – обладают большей плотностью и быстрее идут ко дну. А тела, в которых молекулы расположены далеко друг от друга, обладают меньшей плотностью, поэтому остаются плавать на поверхности воды.

Вывод: «Плавучесть» корабля не зависит от материала, из которого он изготовлен. Следовательно, гипотеза № 1 не верна.

Опыт № 2 Влияние формы на плавучесть корабля

Дома я слепил лодку из пластилина и решил опустить ее на воду и увидел, что он плавает и не тонет. Волшебство свершилось, тонущий материал плавает на поверхности.

Затем из другого кусочка пластилина, я слепим шарик, и опустил его в воду, шарик утонул.

Рис. 5

Вывод: Корабль не тонет, потому что он имеет особую форму, гипотеза № 2 верна.

Опыт № 3. Влияние воздуха на плавучесть корабля

Я задумался – а что еще находиться на корабле кроме команды с капитаном, пассажиров и грузов? На корабле есть воздух.

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. Это хорошо видно из следующего опыта.

Шарик с воздухом внутри, погруженный в воду, с силой вылетает из нее вверх.

Рис. 6

Это действует на шар выталкивающая сила (сила Архимеда). Она то и удерживает корабль на плаву и позволяет кораблю плавать.

Вывод: Корабль не тонет, потому что воздух внутри него держит его на плаву, гипотеза № 3 верна.

Выталкивающая сила воды. Закон Архимеда

Оказывается, когда – то давно древнегреческий учёный Архимед исследовал проблему плавучести тел и сформулировал закон: на всякое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости, который известен сейчас как Закон Архимеда.

Чтобы убедиться в действии выталкивающей силы, достаточно погрузиться в ванну, наполненную до краев. Тело вытолкнет часть воды вверх, и она прольется 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 тяжелые, 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.

Вывод

На основании проведенного исследования можно сделать выводы о том, что мои гипотезы подтвердились не полностью.

Я убедился, что корабль обладает достаточным запасом плавучести, поскольку имеет особую форму.

Еще я узнал, что на корабль действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной кораблем.

Думаю, что моя исследовательская работа полезна для меня, так как я занимаюсь в судомодельном кружке. Я нашел ответ на свой вопрос «почему корабли не тонут?». Я узнал много нового про свойства воды, про закон Архимеда. Конечно есть еще много того что я не понимаю, например физические понятия, законы, формулы, но, думаю, в старших классах я смогу разобраться в этом вопросе подробнее.

Библиографическая ссылка

Алексеев С. ПОЧЕМУ КОРАБЛИ НЕ ТОНУТ? // Старт в науке. – 2017. – № 4-1. – С. 116-118;

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *