Как тяжелые предметы плавают?
Как может держаться на плаву авианосец, вес которого сто тысяч тонн? Если бы он был цельным куском металла, то обязательно утонул, но внутри он полый. А вот как об этом «узнаёт» вода?
На загадку, почему тяжелые предметы плавают, напрашивается следующий ответ — по закону Архимеда, тело, погруженное в жидкость, выталкивается с силой, равной весу жидкости, вытесненной телом.
Вот почему тяжелые предметы плавают.
Исключительно верно, но это объяснение вносит ясности не больше, чем дает света светлячок в пальто.
Естественно, вода под кораблем понятия не имеет, какой объект оказывает давление на ее поверхность: какой-то монолит или надумавший путешествовать швейцарский сыр (хотя о дырках, к которым мы еще вернемся, вода все же будет «знать»).
Тем не менее, внушительная часть нашего опыта, относящегося к плаванию предметов, начиная от выдолбленной из ствола дерева лодки и кончая пенопластом, наводит на мысль о том, что предметы, для того чтобы плавать, должны иметь внутри пустое пространство.
А вот и не обязательно.
Оставляя внутри пространство, мы стараемся сделать предметы легче.
Легкие предметы плавают, а тяжелые тонут.
Вот какой вывод сделали бы вы, если бы этот древний грек Архимед на «замутил воду», если можно так выразиться.
Вопрос в том, насколько легким должен быть предмет, чтобы плавать?
И ответ таков — легче.чем равная ему масса или объем воды.
Масса единичного объема вещества называется его плотностью.
Плотность обычно выражается в фунтах на кубический фут вещества (или в граммах на кубический сантиметр).
Если корабль (в целом рассматриваемый как огромное скопление металла, дерева, пластика, воздушных пространств и так далее), весит меньше, чем равный объем воды, то есть, если плотность корабля меньше (ниже) плотности воды, тогда он будет плавать.
Кусок дерева обладает плавучестью, потому что его плотность составляет приблизительно 6/10 плотности воды.
И ему не нужно быть полым внутри.
Если мы хотим, чтобы наш авианосец в сто тысяч тонн плавал, надо постараться сделать в нем больше пространства, чтобы тем самым уменьшить общую плотность. Это не проблема.
В результате у нас появляется много места для размещения таких важных компонентов, как самолеты и личный состав.
Проведем небольшой опыт, чтобы выяснить, почему плавающий объект должен иметь меньшую плотность, чем вода.
Давайте осторожно опустим самый большой в мире авианосец в сто тысяч тонн — «Адмирал Ни-митц» в ванну, достаточно объемную, чтобы там мог плавать корабль. Опускать его нам поможет сила тяжести, которая тянет корабль в воду с силой, равной его весу (вот что такое вес).
Но когда корабль погружается в воду, он проделывает в ней углубление, стремясь вытолкнуть какую-то ее часть в стороны и вверх, нарушая обусловленное гравитацией стремление воды уравновешиваться.
Следовательно, в то время как сила тяжести тянет корабль вниз, часть воды выталкивает вверх, против силы тяжести.
Вы заметили, насколько поднялся уровень воды в ванной?
Сколько же конкретно воды было поднято вверх против силы тяжести?
Столько же, чему равен вес, тянущий корабль вниз.
Другими словами, вес воды, который был поднят или вытеснен, будет равен весу корабля.
Когда этот предел достигнут — сто тысяч тонн — корабль перестанет погружаться. Слава Богу, он плавает!
Но имейте в виду, что каждый вытесненный грамм воды должен быть вытеснен точно одним кубическим сантиметром объема корабля.
Это означает, что объем корабля, находящийся ниже уровня воды, такой же, как объем ста тысяч тонн воды.
Но поскольку вода имеет большую плотность, чем корабль, сто тысяч тонн воды займут меньше места, чем сто тысяч тонн корабля, меньше, чем объем всего корабля. Следовательно, количество корабля, находящееся под водой, меньше, чем весь корабль.
Что весьма удачно.
Ведь это означает, что линия воды (ватерлиния) значительно не доходит до палубы, и это неизменно устраивает моряков.
А все благодаря тому, что заданная плотность корабля меньше плотности воды.
А как насчет подводных лодок?
Они иногда плавают на поверхности, а иногда могут погружаться и плавать под водой.
Как они меняют свою плавучесть?
Очень просто.
Подводные лодки меняют объем внутреннего воздушного пространства, изменяя тем самым величину своей плотности.
Желаете погрузиться?
Впустите воду в балластные цистерны.
Нужно всплыть?
Вытолкните воду сжатым воздухом.
На самом деле все выглядит несколько сложнее, так как плотность морской воды значительно меняется в зависимости от глубины, температуры и солености.
В связи с этим плотность подводной лодки должна постоянно регулироваться.
Соленая вода приблизительно на 3% плотнее, чем пресная, поэтому в морской воде корабль выталкивается с силой, на 3% большей, чем в озере и плывет выше. Мертвое море и Большое Соленое озеро имеют такую высокую плотность, что их подъемная сила вызывает изумление.
Если представится возможность там побывать, попробуйте в них поплавать.
Вы сможете погрузиться в воду всего на несколько сантиметров. Это ощущение непередаваемое.
Как следует из закона Архимеда, существует какая-то определенная сила, выталкивающая предмет, погруженный в воду.
Откуда она берется?
Если вы сомневаетесь, что вода оказывает давление, направленное вверх, попробуйте погрузить в воду воздушный шарик.
Вы ощутите заметное сопротивление, идущее снизу, которое препятствует вашему давлению сверху.
Когда вы опустили наш авианосец в ванну с водой, он стал погружаться.
Каждый ныряльщик знает, что на глубине давление больше.
Это увеличенное давление присутствует и в ванной, потому что вода не может заглушать или поглощать силу, как это делают пружина или резина.
Вода должна передавать свое увеличенное давление во всех направлениях, всему, с чем она соприкасается, включая корпус корабля.
Давления в горизонтальных направлениях уравновешивают друг друга, неуравновешенным остается в одном направлении — вверх.
Это и есть сила, которая толкает корабль вверх против силы тяжести.
Вот вам и плавучесть.
Поскольку у Архимеда не было под рукой авианосца, то, как свидетельствует история, он использовал в опыте свое собственное тело.
Наполнив ванну до краев, Архимед залез в нее и его осенило, что вес воды на полу равен (должен бы) величине потерянного им в воде веса — его плавучести (подъемной силе).
История умалчивает о том, как отнеслась к эксперименту Архимеда его квартирная хозяйка.
Почему корабль тонет, если в его корпусе появилась пробоина?
Вода врывается внутрь через отверстие, так как она находится под давлением, и чем ниже на корпусе отверстие, тем сильнее напор воды.
Когда вода попадает внутрь, она вытесняет равный объем воздуха, увеличивая тем самым вес корабля и, как следствие этого — общую его плотность.
Когда количество воды внутри корабля создает достаточный дополнительный вес, чтобы преодолеть подъемную силу, корабль тонет.
05.06.2011 в 15:42
Спасибо, теперь знаю, как тяжелые предметы плавают.
26.06.2011 в 4:33
Вера, как интересно! Если бы в школе так просто и ясно, на примерах, объясняли!
04.03.2012 в 10:01
Объяснения легки и поучительны. Хоть сейчас вставляй в энциклопедию: «Хочу всё знать»)))