Чому кораблі не тонуть?

Як відомо, кораблі будують з металу і вони дуже важкі. Залізні цвяхи теж роблять із металу, в порівнянні з кораблями вони легкі, але, тим не менше, йдуть на дно. А чому кораблі не тонуть?

Закон Архімеда в дії. Парадокс Архімеда

Щоб пояснити це явище, необхідно мати уявлення про Закон Архімеда: на тіло, занурене в рідину (або газ), діє виштовхуюча сила, рівна вазі рідини (або газу) в обсязі тіла. Щоб переконатися в дії сили, що виштовхує, досить зануритися в ванну, наповнену по вінця. Тіло виштовхне частина води вгору, і вона проллється на підлогу. Іншими словами, коли будь-яка фізична тіло занурюється у воду, воно звільняє себе простір, виштовхуючи частина води. А вода, в свою чергу, виштовхує тіло наверх. Кораблі дуже важкі, але в їх корпусі є великі рівномірно розташовані порожнини, заповнені повітрям, який легший за воду. В результаті вага тієї води, яку виштовхує корабель, більше його власної ваги. Так що судно не потоне до тих пір, поки воно не перевантажене і не стало важче виштовхнутою їм води. Між іншим, порожні приміщення допомагають корабель не потонути навіть з пробоїною в корпусі, що знаходиться нижче рівня води. Це можливо завдяки тому, що ці порожнечі відгороджені один від одного товстими перегородками. Якщо навіть вода повністю заповнить одну порожнину, то інші залишаться в колишньому стані.

Таким чином, в разі корабля виштовхує сила дорівнює вазі води в об’ємі тієї частини судна, яка занурена в воду. Якщо ця сила більше, ніж вага судна, то воно буде плавати. До речі, парадокс Архімеда стверджує, що тіло може плавати в обсязі води меншому, ніж обсяг самого тіла, якщо його середня щільність менше, ніж щільність води. Прояв цього парадоксу в тому, що масивне тіло (тобто плавальний засіб) може плавати в обсязі води набагато меншому, ніж обсяг самого тіла.

Поняття водотоннажності і ватерлінії

Корабель не тоне тому, що на відміну від цвяха має водотоннажністю. Водотоннажність – це кількість (вага або об’єм) води, витісненої підводною частиною корпусу судна. Маса цієї кількості води дорівнює вазі всього судна, незалежно від його розміру, матеріалу і форми.

Як відомо, кораблі призначені для перевезення людей і вантажів. Якщо він порожній, то його вага мінімальний, а отже, він найменше «осаджується» в море. Навантажене судно занурюється в воду глибше. При підвищеному навантаженні надмірне занурення в воду загрожує затопленням – судно піде під воду і потоне. Тому на корпусі є ватерлінія – спеціальна горизонтальна лінія на зовнішній стороні борту, до якої велике плавальний засіб занурюється в воду при нормальній осаді. Зазвичай вище неї корабель открашен одним кольором, а нижче – іншим. Якщо рівень ватерлінії почав занурюватися під воду, це свідчить про перевантаження судна або наявності пробоїни. З іншого боку, порожній корабель не повинен бути занадто легким, так як в цьому випадку його підводна частина буде дуже маленькою по відношенню до надводної. Такий стан також небезпечно: вітер і хвилі можуть перекинути плавальний засіб.

У наш час для визначення глибини занурення існує безліч датчиків. А ватерлінія – лише допоміжний засіб визначення справності і правильній експлуатації суден.

Таким чином, залізні суду проектують і будують з таким розрахунком, щоб при зануренні вони витісняли кількість води, вага якої дорівнює їх вазі в завантаженому стані.

Аналогія з залізною кулькою

Можна уявити пояснення і з точки зору фізичної залежності між масою, об’ємом і щільністю. Тіла, щільність яких менше щільності води, вільно плавають по її поверхні. Як відомо, щільність обернено пропорційна обсягу і прямо пропорційна масі, що відображає формула ρ = m / v. Тобто при незмінній масі тіла, щоб зменшити щільність, потрібно пропорційно збільшити його обсяг. Останнє твердження можна представити таким прикладом.

Залізну кульку тоне у воді, тому що у нього велику вагу, але маленький обсяг. Якщо ця кулька розплющити в тонкий лист, а з листа зробити великий, всередині порожній кулю, то вага не збільшиться, а обсяг значно виросте, через що залізна куля плаватиме.

Корабель всередині має безліч порожніх, наповнених повітрям приміщень, і його середня щільність значно менше щільності води. Тому для судна дуже небезпечно, якщо пробоїни в ньому будуть наповнюватися водою – вода важчий за повітря – це призведе до порушення балансу між вагою судна і обсягом – і він піде на дно.

Цікаво, що в танкерах, що перевозять нафту, порожніх приміщень з повітрям майже немає, так як сама нафта має щільність, меншу щільності води. Аналогічно і з лісовозами. Тому танкери і лісовози навантажують під зав’язку – щоб не був потрібен повітря. А такі судна, як балкери, що перевозять метал і залізну руду, мають потребу у великій кількості порожніх приміщень.

...
ПОДІЛИТИСЯ: