Плавание судов

Когда мы смотрим на огромный железный корабль, плывущий по морю, невольно возникает вопрос: как такое тяжёлое сооружение может держаться на воде и не тонуть? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить закон Архимеда и разобраться, как он применяется к плаванию судов.

Почему корабль не тонет?

Корабль сделан из металла, плотность которого значительно больше плотности воды. Если бросить кусок железа в воду, он сразу утонет. Однако корабль имеет особую форму — внутри него много пустот, заполненных воздухом. Поэтому средняя плотность всего корабля (вместе с воздухом) оказывается меньше плотности воды.

Когда корабль помещают в воду, он погружается до тех пор, пока выталкивающая сила, действующая со стороны воды, не станет равна весу корабля. В этот момент наступает равновесие — корабль плавает.

Закон Архимеда утверждает:

На тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости.

Если корабль начинает грузить товарами, его масса увеличивается, следовательно, увеличивается и сила тяжести. Чтобы равновесие сохранялось, корабль погружается глубже, вытесняя больше воды. Поэтому у кораблей на бортах наносят специальную погрузочную метку — ватерлинию, показывающую, до какого уровня судно может быть безопасно погружено.

Водоизмещение

Чтобы оценить, насколько большой и тяжёлый корабль, используют понятие водоизмещение — это масса воды, вытесненной корпусом корабля при его плавании.
Так как вес вытесненной воды равен весу корабля, водоизмещение фактически показывает массу судна.

Например, если корабль вытесняет 10 000 тонн воды, то его водоизмещение равно 10 000 тонн.

Устойчивость судов

Чтобы судно не переворачивалось на волнах, его нужно спроектировать так, чтобы оно имело устойчивое равновесие.
Когда корабль отклоняется от вертикали, центр тяжести и центр выталкивающей силы смещаются. Возникает возвращающий момент, который стремится поставить корабль обратно на ровный киль.

Если центр тяжести слишком высоко, судно становится неустойчивым и может перевернуться. Поэтому груз на корабле всегда распределяют равномерно и стараются разместить как можно ниже.

Подводные лодки и изменение плавучести

Подводная лодка может изменять свою плавучесть. В её корпусе есть специальные балластные цистерны, которые заполняются водой или воздухом.

• Когда цистерны наполняются водой, масса лодки увеличивается — она погружается.

• Когда вода выкачивается и место заполняет воздух, масса уменьшается — лодка всплывает.

Так подводная лодка может удерживаться на нужной глубине, всплывать или погружаться, используя действие выталкивающей силы.

Пример задачи

Задача. Корабль имеет массу 50 000 тонн. Какой объём воды он вытесняет при плавании, если плотность морской воды равна 1030 кг/м³?

Решение:
Масса корабля m = 50 000 000 кг.
По закону Архимеда:
Fт = Fₐ → m * g = ρgV.
Отсюда V = m / ρ = 50 000 000 / 1030 ≈ 48 544 м³.

Ответ: Корабль вытесняет около 48,5 тысяч кубических метров воды.

Интересные факты

• Самое большое пассажирское судно в мире — Icon of the Seas — имеет водоизмещение более 250 000 тонн.

• На корабле специально рассчитывают форму корпуса так, чтобы сопротивление воды было минимальным, а плавучесть — максимальной.

• На реках корабли часто имеют более плоское дно, чтобы не садиться на мель, а морские лайнеры — более глубокое и обтекаемое.

Вопросы для самопроверки

1. Почему корабль из железа не тонет, хотя железо плотнее воды?

2. Что называется выталкивающей силой?

3. Что такое водоизмещение корабля?

4. Почему корабль погружается глубже при загрузке?

5. Для чего на корпусе наносят ватерлинию?

6. Что произойдёт, если центр тяжести судна окажется слишком высоко?

7. Как подводная лодка изменяет свою плавучесть?

8. Что произойдёт, если плотность воды уменьшится (например, при плавании в пресной воде)?