На чем основано плавание судов по воде. Действие силы Архимеда

Легко смириться с фактом, что небольшая деревянная лодка выдерживает вес пары взрослых мужчин с рыбацким снаряжением. Понять, как не тонут многотонные металлические боевые корабли и танкеры с контейнерами, человеческому мозгу сложно. Это до момента, пока у ребёнка нет знаний физических законов, объясняющих на чем основано плавание судов. Разберёмся, за счёт каких сил и явлений тяжёлые на первый взгляд предметы не тонут в жидкости, а масло всегда держится на поверхности воды. 

Закон Архимеда

В физике с поколения в поколение передаётся легенда о древнегреческом учёном и мыслителе Архимеде. Как-то перед ним поставили задачи:

1. Определить, сделана корона царя из чистого золота или с примесями иных металлов.


2. Доказать, что ювелир сжульничал, добавив в расплавленное серебро примесей.

Уже тогда была известна формула вычисления объёма тел при известных массе и плотности. С весами проблемы не было, а определить объём сложного украшения крайне сложно, не переплавив его в слиток.

Архимед долго размышлял над задачами, пока не погрузился в ванную, откуда выплеснулась вода. Он понял, что собственное тело вытесняет столько жидкости, сколько само занимает в пространстве. Учёный выскочил из дома и без одежды с криком «Эврика» побежал к правителю поделиться соображениями. Он понял, что, погрузив в воду кусок золота, равный короне весом, можно определить факт обмана.

Инженер сделал открытие, носящее название закон Архимеда: погруженное в жидкость либо газ, тело выталкивается с силой, равной массе вытесненного телом жидкого или газообразного вещества. Эта выталкивающая сила называется гидростатической либо архимедовой. Действует она только в условиях гравитации, в невесомости – нет.

Если помещённое в жидкость тело плавает, значит значение выталкивающей силы по модулю больше гравитации.

Плавучесть судна

Плавание судов и воздухоплавание объясняются законом Архимеда. В покое давление в жидкости объясняется ударами перемещающихся молекул одна о другую. При погружении предмет вытесняет часть жидкости. Молекулы будут ударяться о предмет. Если боковые силы уравновешиваются, то оказываемое снизу давление выталкивает тело наверх. И с ростом глубины сила Архимеда растёт – чем глубже предмет, тем сильнее выталкивающая его сила.

Почему стальные судна, в разы плотнее воды, не тонут в ней? Количество вытесняемой ими жидкости равняется объёму находящегося в жидкости металла (корпуса) и воздуха, который содержится в нём. Сталь плотнее воды всего в 7,8 раз, а воздух – реже неё приблизительно в 770 раз. Фактическая плотность погруженного в воду корабля в разы меньше, чем воды, поэтому жидкость выталкивает его наверх.

То же касается полётов на воздушном шаре: в нём используется более лёгкий или менее плотный за воздух гелий: 1,29 кг/м³ против 0,179 кг/м³.

Что такое масса воды, вытесняемая плавающим судном

Осадкой судна называют глубину его погружения в воду, максимальное значение обозначается ватерлинией – обычно красной линией.

Водоизмещение – масса воды, вытесняемой погруженной частью плавающего судна. Она весит столько, сколько корабль, независимо от габаритов. Водоизмещение оказывает влияние на загруженность судна, на дальности плавания судна не сказывается.