Почему корабли не тонут

Как известно, корабли строят из металла и они очень тяжелые. Железные гвозди тоже производят из металла, по сравнению с кораблями они легкие, но, тем не менее, уходят ко дну. А почему корабли не тонут?

Закон Архимеда в действии. Парадокс Архимеда

Чтобы объяснить это явление, необходимо иметь представление о Законе Архимеда: на тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объеме тела. Чтобы убедиться в действии выталкивающей силы, достаточно погрузиться в ванну, наполненную до краев. Тело вытолкнет часть воды вверх, и она прольется на пол. Другими словами, когда какое-либо физическое тело погружается в воду, оно освобождает себе пространство, выталкивая часть воды. А вода, в свою очередь, выталкивает тело наверх. Корабли очень тяжелые, но в их корпусе есть большие равномерно расположенные пустоты, заполненные воздухом, который легче воды. В результате вес той воды, которую выталкивает корабль, больше его собственного веса. Так что судно не утонет до тех пор, пока оно не перегружено и не стало тяжелее вытолкнутой им воды. Между прочим, пустые помещения помогают кораблю не потонуть даже с пробоиной в корпусе, находящейся ниже уровня воды. Это возможно благодаря тому, что эти пустоты отгорожены друг от друга толстыми перегородками. Если даже вода полностью заполнит одну полость, то остальные останутся в прежнем состоянии.

Таким образом, в случае корабля выталкивающая сила равна весу воды в объеме той части судна, которая погружена в воду. Если эта сила больше, чем вес судна, то оно будет плавать. Кстати, парадокс Архимеда утверждает, что тело может плавать в объеме воды меньшем, чем объем самого тела, если его средняя плотность меньше, чем плотность воды. Проявление этого парадокса в том, что массивное тело (то есть плавательное средство) может плавать в объеме воды намного меньшем, чем объем самого тела.

Понятия водоизмещения и ватерлинии

Корабль не тонет потому, что в отличие от гвоздя обладает водоизмещением. Водоизмещение — это количество (вес или объем) воды, вытесненной подводной частью корпуса судна. Масса этого количества воды равна весу всего судна, независимо от его размера, материала и формы.

Как известно, корабли предназначены для перевозки людей и грузов. Если он пустой, то его вес минимальный, а следовательно, он меньше всего «осаживается» в море. Груженое судно погружается в воду глубже. При повышенной нагрузке чрезмерное погружение в воду чревато затоплением — судно уйдет под воду и утонет. Поэтому на корпусе имеется ватерлиния — специальная горизонтальная линия на внешней стороне борта, до которой крупное плавательное средство погружается в воду при нормальной осадке. Обычно выше нее корабль открашен одним цветом, а ниже — другим. Если уровень ватерлинии начал погружаться под воду, это свидетельствует о перегрузке судна либо наличии пробоины. С другой стороны, пустой корабль не должен быть слишком легким, так как в этом случае его подводная часть будет слишком маленькой по отношению к надводной. Такое положение также опасно: ветер и волны могут опрокинуть плавательное средство.

В наше время для определения глубины погружения существует множество датчиков. А ватерлиния — лишь вспомогательное средство определения исправности и правильной эксплуатации судов.

Таким образом, железные суда проектируют и строят с таким расчетом, чтобы при погружении они вытесняли количество воды, вес которой равен их весу в загруженном состоянии.

Аналогия с железным шариком

Можно представить объяснение и с точки зрения физической зависимости между массой, объемом и плотностью. Тела, плотность которых меньше плотности воды, свободно плавают по ее поверхности. Как известно, плотность обратно пропорциональна объему и прямо пропорциональна массе, что отражает формула ρ=m/v. То есть при неизменной массе тела, чтобы уменьшить плотность, требуется пропорционально увеличить его объем. Последнее утверждение можно представить следующим примером.

Железный шарик тонет в воде, потому что у него большой вес, но маленький объем. Если этот шарик расплющить в тонкий лист, а из листа сделать большой, внутри пустой шар, то вес не увеличится, а объем значительно вырастет, из-за чего железный шар будет плавать.

Корабль внутри имеет множество пустых, наполненных воздухом помещений, и его средняя плотность значительно меньше плотности воды. Поэтому для судна очень опасно, если пробоины в нем будут наполняться водой — вода тяжелее воздуха —  это приведет к нарушению баланса между весом судна и объемом — и он пойдет ко дну.

Интересно, что в танкерах, перевозящих нефть, пустых помещений с воздухом почти нет, так как сама нефть имеет плотность, меньшую плотности воды. Аналогично и с лесовозами. Поэтому танкеры и лесовозы нагружают под завязку — чтобы не требовался воздух. А такие судна, как балкеры, перевозящие металл и железную руду, нуждаются в большом количестве пустых помещений.

На схеме: 1 — Силы поддержания корабля на плаву; 2 — Давление воды на борт судна.

Таким образом, действие выталкивающей силы зависит, во-первых, от объема плавательного средства, а во-вторых — от плотности воды, в которой судно плавает.

Эта сила тем больше, чем больше объем погруженного тела.

После физики — немного лирики

Корабль и волны

На море шторм, девятый вал
И волны бьются о корабль.

Он плыл себе, беды не зная,
А волны быстро догоняли.

Еще мгновение, и два — 
И в корабле одна вода.

Он постепенно шел ко дну
И, скрывшись в море, затонул…

И долго ветер бушевал,
Он гнев природы вымещал.

Но, наконец, затихли волны,
Природа вновь стала довольной.

Но люди впредь не засмеются,
Сердца их больше не забьются…

Все стихло, гладь как зеркала,
Но ни людей, ни корабля…

                                                  /Л. Ш., 1991 год/

Могут ли корабли летать

Суда на воздушной подушке передвигаются по воде, однако они не погружаются в воду, как обычные корабли. Они парят на прослойке воздуха, которая приподнимает судно над поверхностью воды. Такой корабль может передвигаться не только по воде, но и по земле.

Как погружаются и всплывают подводные лодки

У подводной лодки есть специальные резервуары, которые при погружении заполняются водой. Вес лодки увеличивается, она становится тяжелее воды и погружается вниз. При всплытии резервуар наполняют воздухом, который вытесняет воду. Схематически это указано на рисунке выше.

Первая подводная лодка

Одна из первых подводных лодок была сконструирована и испытана голландцем Корнелиусом ван Дреббелем еще в 20-х годах XVII века. Двенадцать гребцов погружали деревянную лодку под воды реки Темза в Великобритании.

Первый водолазный костюм

Этот неуклюжий водолазный костюм изобрели более 200 лет назад. Воздух для водолаза поступал с поверхности по длинному шлангу.

Таким образом, благодаря воздуху, который легче воды, можно контролировать погружение тел в воду. На этом принципе основано перемещение подводных лодок и по этой причине корабли не тонут.

Читайте также: Почему лодка не тонет.