Почему не тонет лодка из металла
Обновлено: 19.05.2024
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.
Почему корабли не тонут
Кажется удивительным, что огромные океанские корабли держатся на плаву и не тонут. Если взять сплошной кусок металла и поместить его в воду, он немедленно пойдет ко дну. А ведь современные лайнеры тоже делают из металла. Чем объяснить их хорошую плавучесть? Тот факт, что металлический корпус судна способен удерживаться на поверхности воды, объясняется законами физики.
Почему не тонет корабль
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 водомерки 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 утонуть, 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 судьба 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.
Почему корабль не тонет: физика в деле
А вы когда-нибудь задумывались, почему корабль не тонет? Если построить плот из древесины, то он сможет благополучно плыть по воде. Но если смастерить его из металла или же камня, то он погрузится на дно. Объяснить подобное явление не составит труда. Ведь плотность камня или металла отличается от плотности дерева. Об этом рассказывают на уроках физики. Дело в том, что плотность дерева значительно меньше, чем плотность металла. При этом показатель выталкивающей силы воды значительно выше, чем показатель силы тяжести, которая действует на плот. С металлом же все несколько иначе. Его плотность достаточно высока, и выталкивающая сила не способна преодолеть силу тяжести. В результате этого плот тонет. Но почему корабль не тонет сейчас, когда изготавливают их именно из металла?
Если обшить дерево
В былые времена корабли строили только из древесины. Но все меняется. Теперь судна строят из более надежного и крепкого материала – металла. Но почему корабль не тонет? Он же получается тяжелее? В чем причина? Может, внутри судна больше древесины, чем металла?
Если взять дерево и обшить его очень тонким листовым металлом, то конструкция не будет тонуть. Это явление можно объяснить, проведя некоторые подсчеты. Итак, средняя плотность конструкции будет меньше, чем плотность воды. Вот простые цифры. Если взять массу дерева 100 килограмм при плотности в 600 килограмм на метр кубический, а металлическую обшивку весом в 20 килограмм и плотностью 7800 килограмм на метр кубический, то общий вес судна будет составлять всего 120 килограмм, а объем – 0,168 метров кубических. Остается найти среднюю плотность конструкции. Для этого нужно массу разделить на объем. В результате получается примерно 714 килограмм на метр кубический. Данный показатель меньше, чем у воды. Это говорит о том, что деревянное судно, предварительно обшитое листовым металлом, тонуть не будет. Ведь плотность воды составляет 1000 килограмм на метр кубический.
Современные конструкции
Конструкция корабля достаточно проста. Можно не обшивать дерево металлом. Достаточно оставить внутри конструкции пустую полость, в которую вода попадать не будет. Конечно, это выражение немного не правильно. Полость будет заполнена воздухом. Ведь плотность этой смеси веществ составляет всего 1,29 килограмм на метр кубический.
Вот почему корабль не тонет, находясь на большой глубине. Ведь внутри конструкции существуют полости больших размеров, которые заполнены воздухом. Благодаря этому, плотность всего корабля значительно меньше плотности воды. В результате этого выталкивающая сила держит конструкцию на плаву.
Почему вода не попадает внутрь корабля
Конечно, если в полости попадет вода, то корабль неизбежно пойдет ко дну. Чтобы этого не произошло, в той части конструкции, которая располагается под водой, делаются перегородки. В итоге образуются отсеки. При этом делаются они герметичными. Благодаря этому, вода, попавшая в один отсек, не может попасть во второй. Если же в корпусе появилась пробоина, то судно ко дну не пойдет. Затоплен будет только тот отсек, куда поступает вода. Остальные же останутся заполнены воздухом.
Как перевозят грузы
Корабль, как правило, имеет вес. И он равен массе воды, объем которой занимает судно в море. Конечно, океанский корабль вряд ли будет плавать пустым. Обычно с помощью судна перевозят не только людей, но и большие грузы. Пустой корабль весит значительно меньше. Значит, и осаживаться в воде он будет неглубоко. Если же судно нагрузить, то оно осядет больше. Но почему корабль не тонет даже с большим грузом?
Обычно на корпусе судна проводится черта – ватерлиния. Корабль не должен погружаться под воду ниже этого указателя. В противном случае он будет перегружен, и любая большая волна может затопить конструкцию.
Почему корабли не тонут? Элементарная физика!
Для того чтобы суда путешествовали через открытое море, они должны выдерживать огромную нагрузку: вес корабля вместе с экипажем, багажом, принадлежностями и пассажирами. Секрет того, почему корабли не тонут, заключается в том, что они делают это с небольшой помощью принципов плотности и плавучести.
Интересно, что круизные суда могут весить от 65 до 70 тысяч тонн. Они вытесняют эквивалентное количество воды, когда надавливают на океан, который тем временем подталкивает и удерживает корабль на плаву. Вот почему корабли не тонут.
Именно по этой причине инженеры, говоря о тяжести корабля, упоминают перемещение, а не вес. Чтобы не утонуть, круизный корабль должен вытеснить свой вес в воде до того, как он погрузится в воду. С технической точки зрения сконструировать такой круизный корабль, который будет менее плотным, чем вода под ним, сложнее.
Понять, почему железные корабли не тонут, проще на следующем примере: нужно представить себе разницу между сбросом шара для боулинга в воду и попыткой погрузить в воду надувной мяч. Боулинг-шар не может вытеснить достаточное количество воды, прежде чем он погрузится, поэтому он опускается. Пляжный мяч делает противоположное и остается на плаву.
Элементарная физика: почему корабль не тонет
Инженеры помогают кораблям достичь плавучести, выбирая легкие, прочные материалы и рассеивая вес корабля по всему корпусу. Корпус корабля под основной палубой, как правило, очень широкий и имеет глубокую базовую линию, или же так называемую нижнюю часть. Такие большие суда, как грузовые, морские, транспортные и круизные, обычно используют вытеснительные корпуса или корпуса, которые отводят воду в сторону, чтобы оставаться на плаву. В этом и заключается весь ответ на вопрос, почему металлические корабли не тонут.
Форма корпуса — залог успеха
Корпус перемещения с круглым дном выглядит как большой прямоугольник с закругленными краями для рассеивания сопротивления или силы, действующей против движущегося объекта. Закругленные края минимизируют силу воды против корпуса, позволяя крупным тяжелым кораблям двигаться плавно.
Если бы вы каким-то образом вытащили круизный корабль из воды и посмотрели на него в нескольких сотнях метров, корпус выглядел бы как огромная прописная буква «U» в зависимости от размера киля. Киль бежит от носа к корме и действует как костяк корабля.
О недостатках распространенной формы корпуса
Как и все, что происходит в нашей жизни, корпусы с круглым дном имеют свои преимущества и недостатки. В отличие от лодки с V-образным корпусом, которая поднимает из воды волны, круглое дно позволяет судну двигаться по воде плавно, делая такие средства передвижения чрезвычайно стабильными и мореходными. Пассажиры на этих кораблях редко ощущают какое-либо раскачивание или движение «вбок».
Лодки с круглыми корпусами движутся плавно, но сопротивление воды делает их чрезвычайно медленными. Они могут плыть быстро только в случае, если к ним будет добавлен двигатель большой мощности. Тем не менее потребность в стабильности и плавности хода превосходит общую скорость, что делает корпус с круглым дном подходящим для круизных судов.
Корпус-защитник
Стоит отметить, что корпус судна — не только ответ на вопрос, почему корабли не тонут: корпус, помимо всего прочего, выполняет стабилизирующую и защитную функции. Рифы, песчаные отмели и айсберги могут разрывать стекловолокно, композитные материалы и даже сталь. Чтобы предотвратить катастрофические повреждения, судостроители обычно строят круизные суда с использованием сверхпрочной стали и вставляют двойные корпусы в качестве дополнительной меры предосторожности. Конструкция с двойным корпусом представляет собой корпус внутри корпуса, например шину с внутренней трубкой.
К сожалению, несчастных случаев не избежать. Чтобы предотвратить крушение кораблей, в случае если что-то проникло в первые две линии обороны, по всей внутренней части корпуса устанавливаются вертикальные водонепроницаемые разделители, известные как переборки. Эти разделители удерживают поврежденные корабли на плаву, останавливая входящую воду в специальных отсеках, тем самым предотвращая затопление всего судна. Таким образом, весь секрет того, почему корабль не тонет даже при повреждениях, заключается в разработке инженерами правильного корпуса судна.
Почему корабли не тонут? Описание, фото и видео
Силы и частицы
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
Законом Архимеда
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.
малая остойчивость
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
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.
Почему корабли не тонут – интересное видео
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Читайте также: