На чем основано то, что возможно плавание судов

Когда-то древний ученый Архимед открыл удивительный закон: любое тело, погруженное в жидкость, испытывает выталкивающую силу, направленную вверх. Этот закон и объясняет, почему корабли весом в тысячи тонн могут держаться на поверхности воды, не уходя ко дну. Давайте разберемся в физике этого удивительного явления!

Закон Архимеда как основа плавания судов

Закон Архимеда гласит: на погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости. Эту силу также называют гидростатической или архимедовой . Математически закон формулируется так:

F_A = ρ × g × V

где F_A — сила Архимеда, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, V — объем погруженной части тела.

Благодаря действию этого закона суда и лодки не тонут, а плавно держатся на поверхности воды. На борт можно брать груз или пассажиров, и вес будет распределен по всей площади корпуса.

Стали закаляют при высоких температурах, а воздух разреживают. Вытесненной воды достаточно, чтобы удерживать судно на поверхности, несмотря на толстые стальные листы, из которых оно собрано. На пустом корпусе судна плотно всегда написано: «Внимание! Плавучесть переполна». Это шутливое предупреждение намекает, что судно начнет погружаться в воду лишь при очень тяжелой загрузке.

Давление жидкости и плавучесть корабля

Чтобы корабль плавал, на него должны действовать две силы: снизу вверх выталкивает жидкость, а сверху вниз давит собственный вес судна с грузом. Эти силы уравновешивают друг друга.

Давление жидкости описывается формулой:

P = ρ × g × h

Здесь P — давление, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — глубина погружения. Из формулы видно, что с увеличением глубины давление растет, так как усиливается вес верхних слоев жидкости.

Часть судна погружена в воду, а часть возвышается над ней. Корабль как бы «парит» между двумя силами. Если одна из них ослабнет или усилится, нарушится равновесие.

Ключевые характеристики судна

Рассмотрим три важные характеристики любого плавательного средства:

• Осадка — глубина погружения корпуса в воду
• Ватерлиния — предельная осадка судна
• Водоизмещение — масса вытесненной воды, равная массе самого судна

Зная их, можно рассчитать допустимый груз на борту. Например, по формуле:

G = Δ - Q

где G — грузоподъемность судна, Δ — его полное водоизмещение, Q — вес пустого судна.

Приведем числовой пример. Допустим, судно имеет водоизмещение 15000 тонн. Сам корпус весит 5000 тонн. Тогда по формуле получаем, что максимальный груз на борту может быть 10000 тонн.

Таким образом, зная характеристики судна и условия его эксплуатации, можно точно рассчитать загрузку, чтобы gat не ушло под воду.

История мореплавания и кораблестроения

На протяжении истории люди постоянно совершенствовали корабли, чтобы они были более выносливыми и вместительными. Первые суда представляли собой плоты и лодки, сделанные из дерева. Позднее появились паруса, позволившие использовать силу ветра.

В Древнем Египте активно строились грузовые суда для перевозки камней. В Древней Греции и Риме создавались военные корабли с металлическим носом-тараном. В эпоху Великих географических открытий мореплаватели достигли Америки на каравеллах — океанских парусниках с высокими бортами.

Современные корабли и управление плавучестью

На что основано плавание судов в наши дни? Современные огромные круизные лайнеры, танкеры и контейнеровозы по-прежнему плавают благодаря закону Архимеда. Но есть и специфические корабли, для которых нужны дополнительные системы регулирования погружения.

В частности, подводные лодки используют заполняемые водой балластные цистерны. Управляя их объемом с помощью нагнетания воздуха, меняют плавучесть лодки и достигают нужной глубины погружения.

Правила безопасного мореплавания

Для обеспечения безопасности судна во время плавания должны неукоснительно соблюдаться правила и ограничения по осадке, скорости, загрузке. Это позволяет предотвратить крен или опрокидывание при сильной качке.

Также экипаж должен знать приемы точного маневрирования и иметь подробные навигационные карты. Это поможет избежать посадки на мель или столкновений с другими судами.

Устройство современных круизных лайнеров

Гигантские круизные лайнеры, перевозящие по 5-6 тысяч пассажиров, по сути являются плавучими городами. На их борту размещаются рестораны, бассейны, спортзалы, театры.

Несмотря на внушительные размеры, плавание таких лайнеров основано на тех же принципах закона Архимеда. Корпус имеет обтекаемую форму, чтобы снизить сопротивление воды, а движение обеспечивают мощные двигатели.

Устройство современных круизных лайнеров

Гигантские круизные лайнеры, перевозящие по 5-6 тысяч пассажиров, по сути являются плавучими городами. На их борту размещаются рестораны, бассейны, спортзалы, театры.

Несмотря на внушительные размеры, их плавание основано на тех же принципах закона Архимеда. Корпус имеет обтекаемую форму, чтобы снизить сопротивление воды, а движение обеспечивают мощные двигатели.

Конструкция корпуса

Корпус лайнера изготавливается из стали и имеет наборное строение для прочности. Внутри располагаются палубы с каютами, общественными зонами и служебными помещениями.

Благодаря водонепроницаемым отсекам при повреждении корпуса вода не распространится по всему лайнеру.

Энергетическая установка

В качестве главных двигателей на лайнерах используются мощные турбины или дизели. Они крутят гребные винты, создавая тягу до 100 000 лошадиных сил.

Вспомогательные двигатели питают систему электроснабжения судна. Также есть аварийные генераторы и запасы топлива.

Навигационное оборудование

Для ориентации в море лайнер оснащается компасами, эхолотами, радиолокаторами и спутниковой системой GPS.

Капитан и вахтенные офицеры отслеживают показания приборов в ходе рейса. При необходимости корректируют курс и скорость.

Системы безопасности

На борту имеется спасательное оборудование и шлюпки на случай эвакуации. Предусмотрены системы пожаротушения, вентиляции и оповещения.

Медпункт и квалифицированный персонал готовы оказать помощь в экстренной ситуации.