Чому кораблі тримаються на воді?

Кораблі, човни, плоти та інші тіла утримуються на плаву через наявність у води виштовхуючих властивостей. Як і всі інші рідини, вода створює направлене вгору тиск, який може підтримувати поміщені в воду тверді предмети.

У кораблів у процес забезпечення плавучості залучено кілька факторів, у тому числі форма судна, його міцність і передбачені засоби для протидії хвилям. У загальному випадку, корабель буде триматися на воді, якщо обсяг води, який він витісняє, важить більше, ніж сам корабель. У такого корабля спрямована вгору сила тиску води на корпус буде долати спрямовану вниз силу тяжіння, яка може вважатися прикладеної в одній точці, яка називається центром ваги. Кажуть, що кораблі зберігають стійкість (мовою фахівців – остійність), якщо після накреняли силових впливів таких факторів, як хвилі або вітер, вони можуть повернутися на рівний кіль. Якщо корабель неправильно спроектований або завантажений, подібні зовнішні впливи можуть призвести до втрати остійності і корабель може піти на дно.

Закон Архімеда

Підвішений на пружинних вагах кубик (малюнок під текстом) важить у воді менше (права частина малюнка), ніж у повітрі (ліва частина малюнка). При зануренні кубик витісняє об’єм води, вага якого дорівнює зменшенню реса кубика. Зв’язок між обсягом зануреного тіла і силою, що виштовхує це тіло вгору, була вперше описана грецьким математиком Архімедом в третьому столітті до нашої ери.

Сила тяжіння проти сили, що виштовхує

Слабо завантажений корабель має невелику осадку, оскільки при більшому зануренні корпусу виштовхуюча сила (синя стрілка) починає перевищувати силу тяжіння (червона стрілка). Повністю завантажений корабель сидить у воді глибше, витісняючи більший об’єм води, ніж легкий корабель.

Підтримка рівноваги

Коли корабель тримається на поверхні води вертикально, його центр ваги і виштовхуюча сила знаходяться на одній лінії. Корабель знаходиться в рівновазі.
Коли корабель крениться, виштовхуюча сила зміщується в бік; в результаті, виштовхуюча сила тисне вгору, сила тяжіння тягне вниз і крен виправляється.
Якщо центр ваги накрененного корабля занадто сильно зміщений вгору і розташований на занадто великій відстані від центру плавучості, корабель перекинеться.
Зсув центру ваги

Три схематичних розрізу корабля на малюнку показують, як завантаження впливає на остійність. Повний трюм корабля (ближній розріз) зводить центр ваги і точку прикладання сили, що виштовхує (центр плавучості) близько один до одного, роблячи корабель остійності. Накрененний хвилями, такий корабель легко відновлює положення рівноваги. У кораблі з порожнім трюмом (середній розріз), центри тяжкості і плавучості відстоять один від одного на великій відстані, тому корабель нестійкий. Вага заповнених водою баластних резервуарів (далекий розріз) відновлює остійність корабля.

Пристрої для зменшення хитавиці

Два резервуари в корпусі (малюнок над текстом) допомагають зменшувати бортову качку. Вага води, що перетікає з одного резервуара в інший, протидіє боковим ударам хвиль.

Носовий резервуар, поперемінно заповнюється водою і нужду, зменшує кільову хитавицю корабля в бурхливих морях.

Посилання на основну публікацію