Почему корабль держится на воде

Когда тело погружается в воду, на него действует выталкивающая сила, известная как сила Архимеда.​ Эта сила равна весу воды, вытесненной погруженным телом.​ Корабль, несмотря на свой вес, может плавать, если выталкивающая сила, действующая на него, равна или превышает силу тяжести, тянущую его вниз.​

Закон Архимеда и выталкивающая сила

В основе плавучести корабля лежит фундаментальный принцип физики, открытый древнегреческим ученым Архимедом, — Закон Архимеда.​ Этот закон гласит, что на любое тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вверх, которая равна весу жидкости или газа, вытесненного этим телом.​

Представьте себе, что вы погружаете мяч в ванну с водой. Мяч вытесняет определенное количество воды, занимая ее место.​ Вода, в свою очередь, «пытается» вернуться на свое место, оказывая давление на мяч со всех сторон.​ Это давление создает выталкивающую силу, направленную вверх.​

Величина выталкивающей силы, действующей на тело, зависит от двух факторов⁚

• Плотность жидкости (или газа)⁚ Чем плотнее жидкость, тем больше выталкивающая сила.​ Например, в соленой воде выталкивающая сила будет больше, чем в пресной, так как соленая вода имеет большую плотность.
• Объем погруженной части тела⁚ Чем больше объем тела погружен в жидкость, тем больше воды оно вытесняет, и тем больше выталкивающая сила.​

Закон Архимеда объясняет, почему тяжелые корабли, сделанные из стали, могут плавать. Корабль, спроектированный с учетом этого закона, вытесняет своим корпусом объем воды, вес которого равен или превышает вес самого корабля со всем его грузом. Именно эта выталкивающая сила, равная весу вытесненной воды, противодействует силе тяжести, не позволяя кораблю утонуть.​

Плотность воды и материала корабля

Ключевую роль в плавучести корабля играет соотношение между плотностью воды и плотностью материала, из которого сделан корабль.​ Плотность — это мера того, сколько массы вещества содержится в определенном объеме.​

Вода имеет плотность около 1000 кг/м³, то есть один кубический метр воды весит около 1000 килограммов.​ Сталь, из которой делают большинство кораблей, имеет гораздо большую плотность, около 7850 кг/м³.​ Казалось бы, стальной корабль должен немедленно утонуть, будучи значительно тяжелее эквивалентного объема воды.

Секрет кроется в форме корпуса корабля.​ Корабли конструируют таким образом, чтобы они вытесняли большой объем воды, создавая большую выталкивающую силу.​ Хотя сталь плотнее воды, объем воды, вытесненный корпусом корабля, создает выталкивающую силу, превышающую вес самого стального корпуса и всего, что находится на борту, включая груз, топливо, пассажиров и экипаж.

Чтобы лучше понять этот принцип, представьте себе лист алюминиевой фольги.​ Если скомкать его в плотный шарик, он утонет в воде. Однако, если придать ему форму лодки с бортами, он сможет удерживаться на плаву, вытесняя достаточный объем воды, чтобы скомпенсировать свой собственный вес.

Таким образом, хотя материал корабля (сталь) плотнее воды, благодаря продуманной конструкции и большому объему вытесненной воды, корабль способен оставаться на плаву.​

Форма корпуса и распределение веса

Помимо плотности материалов, решающее значение для плавучести корабля имеют форма его корпуса и распределение веса.​ Эти факторы напрямую влияют на объем вытесняемой воды и, следовательно, на величину выталкивающей силы.​

Форма корпуса корабля спроектирована таким образом, чтобы максимизировать объем подводной части, обеспечивая достаточную выталкивающую силу.​ Широкий корпус и глубоко погруженная часть, называемая трюмом, позволяют вытеснять большой объем воды.​

Распределение веса на корабле также играет важную роль.​ Неравномерное распределение груза может привести к нестабильности и даже опрокидыванию.​ Чтобы этого избежать, груз на корабле распределяют равномерно, обеспечивая баланс.​ Тяжелые грузы размещают в нижней части трюма, ближе к центру судна, чтобы понизить центр тяжести и повысить устойчивость.​

Инженеры-кораблестроители тщательно рассчитывают форму корпуса и распределение веса, проводят испытания с моделями в специальных бассейнах, чтобы гарантировать оптимальную плавучесть и устойчивость корабля в различных условиях, включая штормы и волнение на море.​

Баланс сил⁚ тяжести и Архимеда

Плавучесть корабля — это результат постоянного взаимодействия двух основных сил⁚ силы тяжести и выталкивающей (архимедовой) силы. Понимание баланса этих сил является ключевым для понимания того, почему корабль не тонет.​

Сила тяжести, направленная вниз, возникает из-за притяжения Земли и стремится утянуть корабль на дно.​ Ее величина зависит от массы корабля, включая массу его корпуса, оборудования, груза, топлива, а также людей на борту.​

Выталкивающая (архимедова) сила, направленная вверх, возникает в результате давления воды на погруженную часть корпуса корабля.​ Согласно закону Архимеда, эта сила равна весу воды, вытесненной корпусом.​

Чтобы корабль оставался на плаву, выталкивающая сила должна быть равна или превышать силу тяжести.​ Когда эти силы равны, корабль находится в состоянии равновесия — он не тонет и не всплывает, а удерживается на определенном уровне погружения в воду.

Если выталкивающая сила меньше силы тяжести, корабль начнет тонуть.​ Это может произойти, например, при повреждении корпуса и поступлении воды внутрь, что уменьшает объем вытесняемой воды и, соответственно, выталкивающую силу.​

И наоборот, если выталкивающая сила превышает силу тяжести, корабль будет всплывать, пока не достигнет положения, при котором силы уравновесятся. Это происходит, например, при разгрузке корабля — уменьшение веса приводит к увеличению выталкивающей силы относительно силы тяжести.​

Влияние груза на осадку корабля

Количество груза, размещенного на корабле, оказывает прямое влияние на его осадку — глубину, на которую судно погружается в воду.​ Это объясняется все тем же принципом баланса сил⁚ тяжести и Архимеда.​

Когда корабль загружают, его масса увеличивается, а значит, увеличиваеться и сила тяжести, действующая на него.​ Чтобы скомпенсировать возросшую силу тяжести и сохранить равновесие, корабль должен вытеснить больший объем воды.​ Это достигается за счет погружения судна глубже в воду, то есть увеличения осадки.

И наоборот, при разгрузке корабля его масса уменьшается, уменьшается и сила тяжести.​ Теперь выталкивающая сила превышает силу тяжести, и корабль начинает всплывать до тех пор, пока силы вновь не уравновесятся.​ Осадка при этом уменьшается.

Для обеспечения безопасности мореплавания на борту каждого судна наносится грузовая марка (также известная как линия Плимсолла), специальная маркировка, указывающая максимально допустимую осадку при различных условиях плавания (например, в пресной или соленой воде, в различных климатических зонах).​ Превышение допустимой осадки может привести к снижению устойчивости судна и увеличению риска его затопления.​

Таким образом, осадка корабля, это не постоянная величина, а динамический показатель, который напрямую зависит от массы перевозимого груза и изменяется в зависимости от степени загрузки судна.​

Стабильность и равновесие на воде

Плавучесть корабля, обеспечиваемая балансом сил тяжести и Архимеда,, это лишь одно из условий успешного плавания. Не менее важно, чтобы корабль был устойчивым и мог сохранять равновесие на воде, противодействуя внешним силам, таким как волны, ветер и изменение курса.​

Стабильность корабля определяется взаимным расположением двух точек⁚ центра тяжести (ЦТ) и центра величины (ЦВ).​ Центр тяжести — это точка, в которой сосредоточена вся масса корабля, а центр величины — точка, в которой приложена выталкивающая сила.​

Для обеспечения устойчивости центр тяжести должен располагаться ниже центра величины.​ В этом случае при наклоне корабля (например, под действием волны) выталкивающая сила создает восстанавливающий момент, который стремится вернуть судно в вертикальное положение.​

Конструкторы судов уделяют большое внимание понижению центра тяжести, размещая тяжелое оборудование (двигатели, топливные баки) в нижней части корпуса.​ Кроме того, для повышения устойчивости используются специальные устройства, например, балластные цистерны, которые заполняются водой для изменения осадки и расположения центра тяжести.​

Равновесие на воде, это способность корабля сохранять заданное положение относительно поверхности воды.​ Оно достигается равномерным распределением груза и контролем за дифферентом — разницей осадки носом и кормой. Правильное распределение груза и минимальный диферент обеспечивают оптимальную обтекаемость корпуса водой и улучшают мореходные качества судна.​