Почему корабли не тонут

Как известно, корабли строят из металла и они очень тяжёлые. Железные гвозди тоже производят из металла, по сравнению с кораблями они лёгкие, 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, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме тела. Чтобы убедиться в действии выталкивающей силы, достаточно погрузиться в ванну, наполненную до краёв. Тело вытолкнет часть воды вверх, и она прольётся 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 тяжёлые, 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 объёме 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 объёме воды меньшем, чем объём самого тела, если его средняя плотность меньше, чем плотность воды. Проявление этого парадокса состоит в том, что массивное тело (то есть плавательное средство) может плавать в объёме воды намного меньшем, чем объём самого тела.

Понятия водоизмещения и ватерлинии

Корабль не тонет потому, что, в отличие от гвоздя, обладает водоизмещением. Водоизмещение — это количество (вес или объём) 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. Гружёное судно погружается в воду глубже. При повышенной нагрузке чрезмерное погружение в воду чревато затоплением — судно уйдёт 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 неё 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 лёгким, 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 расчётом, 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, объёмом и плотностью. Тела, плотность которых меньше плотности воды, свободно плавают по её поверхности. Как известно, плотность обратно пропорциональна объёму и прямо пропорциональна массе, что отражает формула ρ=m/v. То есть при неизменной массе тела, чтобы уменьшить плотность, требуется пропорционально увеличить его объём. Последнее утверждение можно представить следующим примером.

Железный шарик тонет в воде, потому что у него большой вес, но маленький объём. Если этот шарик расплющить в тонкий лист, а из листа сделать большой, внутри пустой шар, то вес не увеличится, а объём 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 нём будут наполняться водой. Вода тяжелее воздуха, что приведёт к нарушению баланса между весом судна и объёмом, и он пойдёт 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 объёма плавательного средства, а во-вторых — от плотности воды, в которой судно плавает.

Эта сила тем больше, чем больше объём погружённого тела.

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 ещё 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

Почему лёд не тонет в воде, а плавает на её поверхности