На протяжении веков людей волновал вопрос, почему огромные корабли, сделанные из тяжелого металла, не тонут, а плавают по поверхности воды. Казалось бы, если бросить в воду кусок железа, он тут же пойдет ко дну. Однако много палубные гиганты, груженые до отказа, спокойно держатся на воде. Должно быть, здесь задействованы какие-то особые физические законы.
История изучения вопроса о плавучести кораблей
Еще в древности ученые пытались понять, почему одни предметы тонут в воде, а другие остаются на плаву. Особенно интересовал этот вопрос кораблестроителей и мореплавателей.
«Всякий предмет, погруженный в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость», — сформулировал основополагающий принцип древнегреческий ученый Архимед в III веке до нашей эры.
Этот закон, названный принципом Архимеда, и объясняет, почему корабли на воде не тонут. Рассмотрим его подробнее.
Физические законы, объясняющие плавучесть
Итак, согласно принципу Архимеда, на любое тело, погруженное в жидкость, действуют две силы:
- Сила тяжести, стремящаяся потопить тело. Она зависит от массы тела.
- Выталкивающая сила, стремящаяся вытолкнуть тело из жидкости. Она равна весу вытесненной телом жидкости.
Формула для расчета выталкивающей силы:
Fв = ρж * g * V
где:
- Fв — выталкивающая сила, Н
- ρж — плотность жидкости, кг/м3
- g — ускорение свободного падения, м/с2
- V — объем погруженной части тела, м3
Итак, что произойдет, если поместить в воду деревянный брусок и железный брусок одинакового объема?
| Материал бруска | Дерево | Железо |
| Плотность материала, кг/м3 | 500 | 7800 |
| Поведение бруска в воде | Плавает | Тонет |
Почему так происходит? Дерево менее плотное, чем вода, поэтому деревянный брусок испытывает меньшую силу тяжести. А выталкивающая сила у обоих брусков одинакова, так как объем у них один и тот же. Поэтому деревянный плавает, а железный тонет.
Теперь давайте разберемся, как этот принцип работает в случае огромных кораблей.
Устройство корпуса корабля
Казалось бы, корабли целиком сделаны из стали, значит, они должны тонуть, как железный брусок в нашем примере. Однако дело в том, что внутри корпуса корабля находятся огромные пустоты с воздухом!
Воздух намного менее плотный, чем вода. Благодаря этим полостям, заполненным легким воздухом, средняя плотность всего корабля оказывается меньше, чем у воды. Поэтому выталкивающая сила превышает силу тяжести, и корабль держится на поверхности.
Если же вода начинает активно заполнять отсеки корабля, воздух вытесняется, средняя плотность растет, и корабль теряет плавучесть. Так случилось с Титаником, когда айсберг пробил несколько небольших пробоин в его корпусе. Океанская вода хлынула в отсеки, быстро вытеснив воздух, и корабль пошел ко дну.
Влияние загрузки на осадку корабля
Как мы выяснили, корабль держится на воде благодаря тому, что выталкивающая сила превышает его вес. Но что произойдет, если корабль перегрузить?
Чем тяжелее груз на борту, тем глубже корабль погружается в воду. Это называется осадкой судна. Если корабль опустится в воду по самую ватерлинию — горизонтальную отметку на борту, обозначающую максимально допустимую загрузку, — то при большом весе он может перевернуться и затонуть.
Поэтому капитаны всегда должны следить, чтобы корабль не был перегружен. Иначе даже небольшого шторма будет достаточно, чтобы нарушить равновесие и отправить судно на дно.
Суда с динамической осадкой
Существуют различные виды судов, которые могут активно управлять своей осадкой и плавучестью. К ним относятся подводные лодки и корабли на воздушной подушке.
Подлодки заполняют специальные цистерны водой, увеличивая свой вес и погружаясь под воду. Чтобы всплыть, вода вытесняется обратно в океан сжатым воздухом.
Корабли на воздушной подушке используют мощные вентиляторы для создания высокого давления воздуха под днищем. Этот воздух приподнимает корабль над поверхностью моря. Такие суда могут перемещаться не только по воде, но и над сушей.
Необычные способы управления плавучестью
Инженеры постоянно экспериментируют с различными технологиями, не похожими на традиционные корабли и лодки.
Одним из первых изобретений такого рода был водолазный колокол, представлявший собой перевернутый бочонок с отверстием для головы водолаза. Внутри колокола поддерживалось нормальное атмосферное давление, благодаря чему вода не могла проникнуть внутрь, и конструкция обладала положительной плавучестью.
Аварийная плавучесть на случай катастрофы
Чтобы снизить риски при повреждениях корпуса, инженеры разрабатывают системы аварийной плавучести. К ним относятся надувные спасательные плоты, понтоны, спасательные жилеты.
Благодаря таким средствам, даже если корабль теряет остойчивость и начинает тонуть, команда и пассажиры могут спастись.
Ведь главное не количество материала, из которого построено судно, а соотношение в нем воздуха и воды, определяющее плавучесть. А оно может быть обеспечено и небольшим надувным плотом, спасающим жизни людей.
