Плавание судов

Объяснение гидроаэромеханики

От­че­го пла­ва­ют рыбы, по­че­му птицы не па­да­ют на землю? Как по­стро­ить ко­рабль, чтобы он не уто­нул? Может ли ма­ши­на под­нять­ся в воз­дух, дви­гать­ся по небу или за­вис­нуть в небе? Пы­та­ясь найти от­ве­ты на эти и на мно­гие дру­гие во­про­сы, люди со­зда­ли много раз­ных наук. Их на­зва­ние на­чи­на­ют­ся со слова гидро, что в пе­ре­во­де озна­ча­ет вода, или аэро, что в пе­ре­во­де озна­ча­ет воз­дух. Если со­брать эти науки вме­сте, то по­лу­чит­ся объ­ем­ная наука – гид­ро­аэро­ме­ха­ни­ка.

Она рас­смат­ри­ва­ет во­про­сы, свя­зан­ные с дви­же­ни­ем жид­ко­стей и воз­ду­ха, а также всех тел, ко­то­рые в них на­хо­дят­ся – жи­вот­ных и че­ло­ве­ка, па­рус­ных судов, са­мо­ле­тов и воз­душ­ных шаров.

Знакомство с гидромеханикой

Масса со­вре­мен­ных судов до­сти­га­ет несколь­ких де­сят­ков тысяч тонн. По­че­му же эти ко­раб­ли не тонут? Всё дело в том, что их сред­няя плот­ность по-преж­не­му мень­ше плот­но­сти воды, а вы­тал­ки­ва­ю­щая ар­хи­ме­до­ва сила урав­но­ве­ши­ва­ет силу тя­же­сти, и ко­рабль не тонет.

Опыт с корабликом из фольги. Понятие осадки и ватерлинии

Рас­смот­рим опыт из преды­ду­ще­го урока: если мы возь­мем ку­со­чек фоль­ги и опу­стим его в воду, то он уто­нет. Но если из этой же самой фоль­ги сде­лать ко­раб­лик, то он бла­го­по­луч­но будет по­ко­ить­ся на по­верх­но­сти воды. В чем же дело? Дело в том, что любой со­вре­мен­ный ко­рабль со­дер­жит мно­же­ство от­се­ков, за­пол­нен­ных воз­ду­хом. Если бы ко­рабль был сде­лан из цель­но­го куска ме­тал­ла, то он, ко­неч­но, бы уто­нул.

По­лу­ча­ет­ся, что на­ли­чие пу­стых по­ме­ще­ний, за­пол­нен­ных воз­ду­хом, при­во­дит к тому, что сред­няя плот­ность судна ока­зы­ва­ет­ся мень­ше плот­но­сти воды. Глу­би­на, на ко­то­рую по­гру­жа­ет­ся судно, на­зы­ва­ет­ся осад­кой. При пол­ной за­груз­ке судна, оно не долж­но по­гру­жать­ся в воду ниже опре­де­лен­ной линии. Её на­зы­ва­ют гру­зо­вой ва­тер­ли­ни­ей (рис. 1), то есть ли­ни­ей, с ко­то­рой со­при­ка­са­ет­ся по­верх­ность воды и кор­пус судна при его пол­ной за­груз­ке.

Рис. 1 Ва­тер­ли­ния, на­не­сен­ная на кор­пус ко­раб­ля (чер­ным)

По­сте­пен­но за­гру­жая ко­раб­лик гру­зом, уви­дим, что с ним про­изой­дет: осад­ка ста­но­вит­ся всё ниже, и при опре­де­лен­ном зна­че­нии ко­рабль тонет. Вес груза пре­вы­сил опре­де­лен­ное зна­че­ние, ко­рабль опу­стил­ся ниже ва­тер­ли­нии. Хо­те­лось бы об­ра­тить ваше вни­ма­ние, что при по­гру­же­нии ко­рабль вы­тес­ня­ет опре­де­лен­ное ко­ли­че­ство воды.

Водоизмещение, грузоподъемность. Решение задачи

Вес воды, вы­тес­нен­ный ко­раб­лем при по­гру­же­нии, на­зы­ва­ет­ся во­до­из­ме­ще­ни­ем. Чис­лен­но во­до­из­ме­ще­ние равно весу ко­раб­ля вме­сте с гру­зом. Раз­ни­ца между во­до­из­ме­ще­ни­ем и весом судна на­зы­ва­ет­ся гру­зо­подъ­ем­но­стью судна.

Решим за­да­чу.

Нам необ­хо­ди­мо опре­де­лить гру­зо­подъ­ем­ность судна. Судно по­гру­же­но в прес­ную воду до ва­тер­ли­нии и при этом вы­тес­ня­ет воду объ­е­мом 15000 ку­би­че­ских мет­ров. Из­вест­но, что вес са­мо­го судна со­став­ля­ет 5х10⁷ нью­тон. За­пи­шем крат­кое усло­вие за­да­чи:

Дано:

V_в=15000 м³

ϱ_в=1000 кг/ м³

P₀ = 5х10⁷ H

-------------------

P_г= ?

Нам необ­хо­ди­мо рас­счи­тать гру­зо­подъ­ем­ность судна. Обо­зна­чим гру­зо­подъ­ем­ность как вес груза. Для этого нам нужно из веса вы­тес­нен­ной воды вы­честь вес судна:

P_г= P_вв- P_с , вес вы­тес­нен­ной воды рас­счи­ты­ва­ет­ся:

P_вв= ϱ_в ∙ g ∙ V_в , как плот­ность воды на ве­ли­чи­ну g и на объем вы­тес­нен­ной воды. Под­ста­вим это в ис­ход­ную фор­му­лу и по­лу­чим вы­ра­же­ние для рас­че­та:

P_г= ϱ_в ∙ g ∙ V_в - P_{с .}

Про­ве­дем ана­лиз раз­мер­но­сти, при под­ста­нов­ке всех раз­мер­ных ве­ли­чин и ма­те­ма­ти­че­ских пре­об­ра­зо­ва­ни­ях, мы по­лу­чим, что гру­зо­подъ­ем­ность судна будет из­ме­рять­ся в нью­то­нах. P_г= кг/м³ х Н/кг х м³ – Н = Н – Н = Н.

Под­ста­вим чис­ло­вые дан­ные:

P_вв = 1000∙10∙15000 – 5∙10⁷ = 150∙10⁶ – 5∙10⁷ = 10⁸ Н.

Т. е. гру­зо­подъ­ем­ность судна равна 10⁸ Н.

Подводные лодки, эксперимент с газировкой

Суда, спо­соб­ные пла­вать под водой, на­зы­ва­ют под­вод­ны­ми, а все осталь­ные – над­вод­ны­ми. Пер­вая под­вод­ная лодка по­яви­лась в Ан­глии в 1620 году, в Рос­сии под­вод­ные лодки по­яви­лись позд­нее, в 1724 году.

Про­ве­дем экс­пе­ри­мент.

В сосуд на­льем га­зи­ро­ван­ную воду и опу­стим туда ви­но­гра­дин­ку. Она опу­стит­ся на дно, по­то­му что ее плот­ность боль­ше плот­но­сти воды, но, об­леп­лен­ная пу­зырь­ка­ми газа, она под­ни­мет­ся на по­верх­ность. Как толь­ко пу­зырь­ки газа будут по­сте­пен­но ло­пать­ся, она вновь опу­стит­ся на дно, и так будет про­дол­жать­ся до тех пор, пока весь газ из га­зи­ров­ки не вый­дет. Дви­же­ние ви­но­гра­дин­ки ана­ло­гич­но тому, как дви­жут­ся под­вод­ные лодки, внут­ри ко­то­рых есть спе­ци­аль­ные бал­ласт­ные ци­стер­ны. Когда необ­хо­ди­мо, чтобы лодка по­гру­зи­лась, ци­стер­ны от­кры­ва­ют­ся и за­борт­ная вода устрем­ля­ет­ся внутрь – лодка опус­ка­ет­ся на дно. При необ­хо­ди­мо­сти под­ня­тия на­верх – под дав­ле­ни­ем сжа­тый воз­дух за­пол­ня­ет эти бал­ласт­ные ци­стер­ны, вы­тес­няя за­борт­ную воду, и об­лег­чен­ная лодка под­ни­ма­ет­ся на по­верх­ность.

Развитие водного транспорта

Раз­ви­тие вод­но­го транс­пор­та имеет огром­ное зна­че­ние, так как это до­ста­точ­но де­ше­вый вид транс­пор­та с огром­ной гру­зо­подъ­ем­но­стью, и имен­но бла­го­да­ря вод­но­му транс­пор­ту осу­ществ­ля­ет­ся тор­гов­ля со мно­ги­ми за­ру­беж­ны­ми стра­на­ми.

Вопросы к конспектам