Плавання суден. Повітроплавання
Розділ ІІІ ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА
&40. Плавання суден. Повітроплавання
✓ Чому сталевий цвях тоне у воді, а корабель, корпус якого виготовлений зі сталі, плаває і навіть перевозить вантажі?
1. Проробимо такий дослід. Візьмемо дві однакові пластини, вирізані з тонкого сталевого листа. Оскільки розміри пластин однакові, то однаковими будуть і їхні маси і на них будуть діяти однакові сили тяжіння. З однієї з пластин виготовимо коробочку і опустимо пластину і коробочку на поверхню води. Ми побачимо, що пластина потоне, а коробочка буде
Виникає запитання: чому пластина тоне, а коробочка плаває? Поведінка тіла – плаває воно чи тоне – залежить від співвідношення між силою тяжіння і виштовхувальною силою. У цьому випадку на пластину і коробочку діють однакові сили тяжіння, а, отже, на них діють різні виштовхувальні сили.
Дійсно, виштовхувальна сила залежить від об’єму рідини, яку витіснило тіло. Об’єм води, яку витіснила коробочка, більший за об’єм води, витісненої пластиною. Отже, на коробочку діє більша виштовхувальна сила, ніж на пластину, і вона плаває. Цей простий дослід дає змогу зрозуміти,
Ви вже знаєте, що тіло плаває у воді, якщо сила тяжіння, що діє на нього, дорівнює архімедовій силі, тобто вазі води в об’ємі частини тіла, яка занурена у воду. Відповідно корабель плаває у воді, якщо діюча на нього сила тяжіння (або вага корабля з вантажем у повітрі) дорівнює вазі води, витісненій підводною частиною корабля.
Рис. 121
Глибину, на яку занурюється корабель у воду, називають осадкою. Найбільша допустима осадка корабля відмічається червоною лінією на його корпусі, яка називається ватерлінією (голл. water – вода, lijn – лінія). Вона показує найвищий рівень, до якого може занурюватися у воду корабель у навантаженому стані.
Вага води, витісненої кораблем при його занурені до ватерлінії, називається водотоннажністю. Іншими словами, водотоннажність дорівнює силі Архімеда, коли корабель занурився до ватерлінії, і вона ж дорівнює силі тяжіння, що діє на корабель з вантажем. Якщо відома водотоннажність корабля, то можна легко визначити, який найбільший вантаж він може взяти на борт. Вага цього вантажу дорівнює різниці між водотоннажністю і вагою корабля у повітрі. Цю величину називають вантажопідйомністю корабля.
Умови плавання тіл враховуються при конструюванні підводних човнів, які повинні і занурюватися углиб, і спливати на поверхню води. У зв’язку з цим підводний човен повинен змінювати свою масу і відповідно силу тяжіння, яка діє на нього. Для цього всередині човна є баластні цистерни, які можуть заповнюватися водою. При заповненні цистерн водою, яка є за бортом, сила тяжіння, що діє на човен, збільшується, вона може перевищувати архімедову силу, і човен занурюється у воду. Коли воду з баластних цистерн витісняють стисненим повітрям за межі човна, сила тяжіння зменшується, може стати меншою за архімедову силу, і човен спливає. Під водою човен може змінювати курс і глибину за допомогою керма поворотів і керма глибини подібно до літака. Найбільші підводні човни з ядерними двигунами мають водотоннажність до 8000 т і можуть здійснити кругосвітню подорож під водою.
Ви звичайно ж бачили, як кулі, заповнені легким газом, наприклад, гелієм піднімаються в повітрі. Перші повітряні кулі були винайдені в 1783 р. у Франції братами Монгольф’є. Кулі заповнювалися гарячим повітрям. Густина гарячого повітря менша, ніж холодного, тому вага гарячого повітря у повітряній кулі менша, ніж вага витісненого ним холодного повітря. Це означає, що сила тяжіння, яка діє на гаряче повітря, оболонку кулі і вантаж, може бути меншою від архімедової сили і куля піднімається вгору. Проте, густина холодного (за 0 °С) і гарячого повітря (за 100 °С) відрізняється усього на 27 %, тому заповнена гарячим повітрям куля не може підняти великий вантаж. Пізніше було запропоновано заповнювати кулі воднем, густина якого в 14 разів менша за густину повітря. Така куля могла підняти вантаж значно більшої маси.
5. Вагу вантажу, який може підняти повітряна куля, називають її підіймальною силою.
Припустимо, що повітряна куля, наповнена воднем, густина якого становить 0,09 кг/м3, має об’єм 1500 м3, маса оболонки і обладнання 800 кг. На кулю і водень, що міститься в ній, діє сила тяжіння Fтяж = 800 кг ∙ 10 м/с2 + 0,09 кг/м3 ∙ 1500 м3 ∙ 10м/с2 = 9350 Н. Сила Архімеда, що діє на кулю, дорівнює
FA = 1,3 кг/м3 ∙ 1500 м3 ∙ 10 м/с2 = 19500 Н.
Тоді підіймальна сила повітряної кулі
F = FА – Fтяж = 19500 Н – 9350 Н = 10150 Н.
6. Повітряні кулі, які запускають в атмосферу Землі, називають аеростатами. Одним з видів аеростатів є стратостати. Це кулі, які піднімаються на великі висоти – в стратосферу. Ці кулі використовуються для дослідження атмосфери. На початку ХХ ст., коли авіація робила перші кроки, були створені керовані повітряні апарати, легші за повітря, – дирижаблі. Вони мають видовжену обтічну форму для того, щоб зменшити опір повітря під час руху.
7. Насамкінець установимо умови плавання суцільних твердих тіл у рідині. Візьмемо дві однакові за об’ємом мідну і дерев’яну кульки, зануримо їх у воду і відпустимо. Мідна кулька потоне, а дерев’яна – спливе. На кожну кульку у воді діятимуть архімедова сила і сила тяжіння.
Архімедова сила, спрямована вертикально вгору, буде однаковою для обох кульок: FА = pgV, де рв – густина води, V – об’єм кожної кульки. На мідну кульку діє сила тяжіння Fтяж = pмgV, де рм – густина міді. Ми бачимо, що Fтяж > FА, оскільки рм > рв. Рівнодійна цих двох сил напрямлена в бік більшої сили ( F тяж), і мідна кулька потоне (рис. 122, а). Аналогічно для дерев’яної кульки, яка спливає у воді, рд < рв, де рд – густина дерева (рис. 122, б).
Рис. 122
Отже, суцільне тіло тоне, якщо його густина (рт) більша за густину рідини (рр), в яку воно занурене:
Рт > рр.
Суцільне тіло плаває на поверхні рідини, частково занурившись у неї, якщо
Рт < рр.
Можливий і третій випадок: густина суцільного твердого тіла дорівнює густині рідини:
Рт = рр.
За цієї умови тіло може плавати на довільній глибині у завислому стані.
Запитання для самоперевірки
1. На чому грунтується плавання суден?
2. Що називають осадкою корабля?
3. Що таке ватерлінія?
4. Що називають вантажопідйомністю корабля?
5. Як можна збільшити вантажопідйомність судна?
6. Що називають підіймальною силою аеростата?
7. Чому повітряна куля має обмежену висоту підйому?
Завдання 30
1. Чому, плаваючи на спині, легше триматися на воді?
2. Чому рятувальні пояси часто виготовляють з корка?
3. При завантаженні корабля, площа дна якого становить 1500 м2, його осадка збільшилася на 40 см. Якої маси вантаж помістили на корабель?
4. Чи можна на судно водотоннажністю 40 кН помістити вантаж масою 3000 кг, якщо маса самого корабля становить 2 т?
5. Як зміниться осадка корабля при переході з моря в річку?
6. Три повітряні кулі наповнені: одна – повітрям за температури 100 °С, друга – воднем, третя – гелієм так, що їхні об’єми однакові. Яка куля матиме найбільшу підіймальну силу?
7. Визначте підіймальну силу аеростата з об’ємом 600 м3, заповненого гелієм. Маса оболонки і корзини 200 кг. Прийняти густину гелію 0,18 кг/м3, повітря – 1,3 кг/м3.
8. Якщо підводний човен сяде на глинисте дно, він уже не зможе спливти. Чому? Де поділася сила Архімеда?
9. Чи зануриться до ватерлінії судно водотоннажністю 120 МН і вагою 60 МН, якщо візьме на борт вантаж 5000 т?
Рис. 123
10. Виготовіть так званого картезіанського водолаза. Для цього візьміть невелику пластикову або скляну пробірку з-під ліків, її отвір щільно закрийте корком або пластиліном, у який вставте кусок стержня від кулькової ручки (рис. 123, а). Наберіть у пробірку трохи води так, щоб вона плавала, на 1-2 мм виступаючи з води, і помістіть її у пластикову пляшку з водою. Далі, закрийте пляшку кришкою і стисніть її руками (рис. 123, б). Добийтеся того, щоб “водолаз” спливав, тонув або зависав на певній глибині. Поясніть явище.
Лабораторна робота № 10
З’ясування умов плавання тіл
Мета роботи. 1. Закріпити вміння користуватися мензуркою і терезами. 2. Експериментально дослідити умови плавання тіл у рідині.
Обладнання. 1. Терези з набором важків. 2. Пробірка з корком. 3. Мензурка з водою. 4. Сухий пісок. 5. Дротяний гачок або нитка. 6. Фільтрувальний папір або клаптик тканини. 7. Посудина з концентрованим розчином кухонної солі.
Хід роботи
1. Удома напередодні виконання роботи повторіть &39, &40 підручника й ознайомтеся з вказівками до лабораторної роботи №9.
2. Розгляньте вимірювальні засоби, що є у вас на столі, та оцініть їхні характеристики. Дані про прилади занесіть у таблицю.
Вимірювальний Прилад | Ціна поділки | Межа вимірювання |
Мензурка | ||
Терези |
3. Підготуйте терези до зважування.
4. Налийте воду в мензурку і виміряйте її об’єм V1. Результати цього та подальших вимірювань занесіть у таблицю.
№ досліду | Об’єм води у мензурціV1, м3 | Об’єм води і пробірки (з піском) V2, м3 | Об’єм води, витісненої пробіркою, V= V2 – V1, м3 | Виштовхувальна сила FA, Н | Маса пробіркиm, кг | Сила тяжіння, що діє на пробірку, Fтяж= mg, H | Порівняння сил FA i Fтяж | Спостережуване явище |
1. | ||||||||
2. | ||||||||
3. |
5. Вийміть корок з пробірки, насипте в неї сухого піску на 
об’єму і закоркуйте пробірку.
6. У першому досліді обережно опустіть пробірку з піском у мензурку з водою й опишіть спостережуване явище (пробірка тоне, спливає на поверхню води чи плаває всередині неї).
7. Визначте об’єм води, витісненої пробіркою, за формулою: V = V2 – V1, де V2 – об’єм води і зануреної в неї пробірки.
8. Обчисліть виштовхувальну силу, що діє на пробірку з піском: FA = gpвV.
9. За допомогою гачка вийміть пробірку з мензурки, витріть її фільтрувальним папером і зважте на терезах, визначивши її масу m.
10. Обчисліть силу тяжіння, що діє на пробірку з піском: Fтяж = mg.
11. Порівняйте архімедову силу і силу тяжіння, зазначивши у відповідному стовпчику таблиці, яка з них більша чи вони однакові.
12. У другому досліді, відсипаючи або досипаючи пісок у пробірку і щоразу закорковуючи її, досягніть того, щоб пробірка плавала всередині води на будь-якій глибині: не тонула і не спливала.
13. Як і в першому досліді, виміряйте масу пробірки з піском, обчисліть архімедову силу і силу тяжіння та порівняйте їх.
14. У третьому досліді вийміть пробірку з води, відсипте з неї не менше половини наявної кількості піску, закоркуйте, за допомогою гачка занурте у воду і відпустіть. Простежте за поведінкою пробірки.
15. Визначте об’єм V зануреної частини пробірки (об’єм витісненої нею води).
16. Як і в попередніх двох дослідах, виміряйте масу пробірки з піском, визначте архімедову силу і силу тяжіння та порівняйте їх.
17. Додаткове завдання. Опустіть пробірку з піском спочатку в мензурку з водою за умови, що вона плаває всередині води, а потім у мензурку з розчином солі. Опишіть, чим відрізняються результати цих дослідів та як їх пояснити. Такий дослід зручно провести відразу після другого досліду.
Навчальний проект № 2
Використовуючи теоретичні знання та набутий досвід при виконанні завдань 29-30 і лабораторної роботи №10, виконайте навчальний проект “Розвиток судно – та повітроплавання” за таким планом:
1. Фізичні основи судно – та повітроплавання.
2. Історія судно – та повітроплавання.
3. Сучасний стан судно – та повітроплавання
4. На основі матеріалів, узятих в Інтернеті, оцініть перспективи розвитку судно – та повітроплавання.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...