Судоходство и воздухоплавание

Этот принцип лежит в основе конструкции всех судов. Средняя плотность судов намного меньше плотности воды, поэтому суда плавают на ее поверхности, погружаясь на относительно небольшую часть своего объема.

Выясняем характеристики судов

Когда новое судно спускают на воду, оно начинает погружаться. Нижняя часть судна начинает вытеснять воду, вследствие чего возникает архимедова сила. Когда архимедова сила уравновешивает силу тяжести, действующую на судно, оно прекращает погружение.

Глубину, на которую погружается судно, называют осадкой. Осадка судна изменяется в зависимости от загруженности судна и от того, в речной или морской воде оно находится. Разумеется, судно нельзя перегружать.

На корпус судна нанесена ватерлиния — линия, указывающая максимально допустимую осадку судна, при которой оно может безопасно плавать (рис. 29.2). Когда судно полностью нагружено, оно находится в воде вровень с ватерлинией.

Вес воды, которую вытесняет судно, погруженное в воду до ватерлинии, то есть архимедова сила, действующая на полностью нагруженное судно, называется полным водоизмещением судна.

Напомним: поскольку нагруженное судно плавает на поверхности воды, то архимедова сила, которая действует на него, по значению равна силе тяжести, действующей на судно с грузом:

Самые большие суда — танкеры для нефти — имеют полное водоизмещение до 5 млн кН, то есть их масса вместе с грузом достигает 500 000 т. Если из полного водоизмещения исключить вес самого судна, то получим максимальный вес груза, который может взять на борт данное судно, то есть определим грузоподъемность судна.

грузоподъемность судна — максимальный вес груза, который судно может взять на борт, — это разность между полным водоизмещением судна и его весом.

Украина — морское государство. В стране есть морской и речной флот, а также порты, имеющие большое экономическое значение: Одесский, Ильичевский, Южный, Николаевский, Херсонский, Бердянский, Мариупольский.

Узнаем, как осуществилась мечта человека летать

Люди уже давно используют воздушные шары (аэростаты), поднимающиеся в воздух благодаря заполнению их оболочки горячим воздухом или легким газом.

На воздушный шар в воздухе действует выталкивающая сила. Средняя плотность воздушного шара меньше плотности воздуха, поэтому выталкивающая сила больше силы тяжести и шар поднимается вверх.

Разность между выталкивающей (архимедовой) силой и силой тяжести представляет собой подъемную силу воздушного шара.

Сейчас воздушные шары используют для метеорологических и других исследований, соревнований, перевозок пассажиров, туристических и познавательных путешествий.

Воздушные шары, наполненные легким газом (в основном гелием), называют шар-льерами. В последнее время распространены воздушные шары, наполненные горячим воздухом, — современные монгольфьеры (рис. 29.3). Высокую температуру воздуха внутри шара поддерживают газовые горелки, установленные в его горловине.

Поскольку плотность воздуха с высотой уменьшается, воздушные шары не могут подняться на какую угодно высоту.

Воздушные шары поднимаются только до той высоты, где плотность воздуха равна средней плотности шара вместе с грузом.

Учимся решать задачи

Задача 1. В речном порту судно взяло на борт 100 т груза. В результате осадка судна увеличилась на 0,2 м и достигла максимально допустимой. Какова площадь сечения судна на уровне ватерлинии?

Анализ физической проблемы. Когда на судно взяли груз, оно увеличило осадку и дополнительно вытеснило некоторый объем воды. По закону Архимеда, вес груза равен весу дополнительно вытесненной воды: Р = Р .

груза выт. воды

Осадка судна увеличилась всего на 20 см, значит, площадь сечения судна на уровне поверхности воды изменилась незначительно. Поэтому объем дополнительно вытесненной воды равен У_выт. _ы = hS , где h — увеличение осадки; 5 — площадь сечения судна на уровне ватерлинии (по условию судно достигло максимальной осадки).

Порт речной, поэтому плотность воды равна 1000 кг/м³.

Задачу следует решать в единицах СИ.

Мы решили задачу 1 по действиям. Решите эту задачу в общем виде (получите общую формулу, найдите значение искомой величины).

Задача 2. Объем воздушного шара равен 400 м³. Шар натягивает трос, которым прикреплен к причалу, с силой 800 Н. После освобождения троса шар смог подняться на некоторую высоту. Какова плотность воздуха на этой высоте, если плотность воздуха у причала 1,3 кг/м³?

Анализ физической проблемы. Шар прекратил подъем потому, что на этой высоте его средняя плотность равна плотности воздуха (р_возд). Чтобы определить среднюю плотность шара, следует найти его массу. Массу шара найдем по силе тяжести, действующей на шар.

Для определения силы тяжести выполним пояснительный рисунок и покажем все силы, действовавшие на шар на причале: Р_тяж — сила тяжести; Р_арх — архимедова сила, Е_нат — сила натяжения троса. Шар на причале не двигался, поэтому силы, действовавшие на него, были скомпенсированы.

Задачу будем решать по действиям в единицах СИ.

Контрольные вопросы

1. Почему металлическое судно плавает на поверхности воды? 2. Что такое осадка судна? 3. Как максимально допустимую осадку обозначают на корпусе судна? 4. Дайте определение полного водоизмещения судна и определение грузоподъемности судна. 5. Как найти подъемную силу воздушного шара? 6. Чем ограничена максимальная высота подъема воздушного шара?

Упражнение № 29

1. В пресной воде судно вытесняет воду объемом 15 000 м³. Определите:

а) полное водоизмещение судна; б) вес груза, если вес судна без груза равен 5 000 000 Н.

2. Груз какой наибольшей массы можно перевезти на плоту, если масса плота 100 кг, а его объем равен 1 м³?

3. Воздушный шарик массой 100 г натягивает нить, на которой удерживается, с силой 1 Н. Определите: а) силу тяжести, действующую на шарик; б) архимедову силу, действующую на шарик.

4. Изменится ли выталкивающая сила, действующая на судно, если оно перейдет из реки в море? Изменится ли осадка судна?

5. В реке судно вытесняет воду объемом 20 000 м³. На сколько изменится объем воды, вытесняемой судном, если оно перейдет из реки в море?

6. Плотность воздуха вблизи поверхности Земли равна 1,29 кг/м³. Какой должна быть плотность теплого воздуха внутри воздушного шара, чтобы шар начал подниматься? Объем шара равен 500 м³, масса оболочки и груза — 150 кг.

7. Подготовьте доклад или презентацию на одну из тем: «История воздухоплавания», «История судоходства».

Экспериментальное задание

«Кораблик». Изготовьте из пластилина кораблик и запустите его в плавание (см. рисунок). С помощью металлических монет (см. экспериментальное задание в § 15) определите грузоподъемность и водоизмещение вашего кораблика.

Задания для самопроверки к разделу 3 «Взаимодействие тел. сила». Часть II. Давление. Закон Архимеда. Плавание тел

В заданиях 1-7 выберите один правильный ответ.

1. (1 балл) Давление тела на опору тем больше, чем:

а) больше вес тела и больше площадь опоры;

б) больше вес тела и меньше площадь опоры;

в) меньше вес тела и меньше площадь опоры;

г) меньше вес тела и больше площадь опоры.

2. (1 балл) С помощью ручного насоса мальчик накачал шины велосипеда. Давление воздуха в шинах увеличилось в результате:

а) увеличения объема шин;

б) увеличения массы воздуха в шинах;

в) уменьшения плотности воздуха в шинах;

г) уменьшения скорости движения молекул воздуха внутри шин.

3. (1 балл) Давление жидкости в сосуде:

а) одинаково во всех точках;

б) возрастает с увеличением глубины;

в) уменьшается с увеличением глубины;

г) возрастает с уменьшением плотности жидкости.

4. (1 балл) Замена колес на гусеницы позволяет значительно повысить проходимость трактора. Это достигается в результате:

а) увеличения мощности двигателя;

б) увеличения массы трактора;

в) уменьшения давления трактора на грунт;

г) увеличения скорости движения трактора.

5. (1 балл) Для измерения атмосферного давления используют:

а) ареометр; б) динамометр; в) барометр; г) манометр.

6. (1 балл) На горизонтальной поверхности стола расположены три однородных кубика одинакового размера: медный, алюминиевый и чугунный. Какой кубик создает на стол наибольшее давление?

а) медный; в) чугунный;

б) алюминиевый; г) давление всех кубиков одинаково.

7. (2 балла) Какова высота слоя керосина в бидоне, если гидростатическое давление на дно бидона равно 800 Па?

а) 1 мм; б) 1 см; в) 1 дм; г) 1 м.

8. (2 балла) Какое давление создает острие гвоздя на доску, если площадь острия гвоздя 0,6 мм², а сила, с которой оно действует на доску, равна 30 Н?

9. (2 балла) Установите соответствие между выражением для расчетов физической величины и названием этой величины.

10. (2 балла)Расположите приведенные пары значений плотности р жидкости и высоты h слоя этой жидкости в сосуде в порядке уменьшения гидростатического давления на дно сосуда.

11. (3 балла)Город Ла-Пас, который считается неофициальной столицей Боливии, расположен на высоте 4500 м над уровнем моря. Это «самая высокая» столица на земном шаре. Нормальное атмосферное давление на этой высоте равно 430 мм рт. ст. Выразите указанное давление в килопаскалях.

12. (3 балла)Выразите в миллиметрах ртутного столба давление 136 кПа.

13. (3 балла)В жидкостный манометр налита ртуть (рис. 1). Правое колено манометра соединено с газовым баллоном, а левое открыто в атмосферу. Определите давление в баллоне, если атмосферное давление равно 750 мм рт. ст. Ответ дайте в килопаскалях.

14. (3 балла)На какой глубине давление в озере равно 250 кПа?

15. (3 балла)На малом поршне гидравлической машины (рис. 2) расположен груз массой 10 кг, на большом — массой 160 кг. Диаметр малого поршня — 4 см. Каков диаметр большого поршня, если поршни находятся в равновесии и их массами можно пренебречь?

16. (3 балла) На рис. 3 изображены сообщающиеся сосуды. Сначала в эти сосуды налили воду. Затем в левое колено поверх воды налили слой керосина высотой 20 мм. На сколько уровень керосина в сосуде выше уровня воды? Керосин и вода не смешиваются.

17. (4 балла)Однородный брусок плотностью 0,7 г/см³ плавает в воде так, что над водой находится только его часть объемом 60 см³. Определите объем бруска.

18. (4 балла)Если шарик, подвешенный на нити, полностью погрузить в воду, то сила натяжения нити будет равна 3 Н. Если же этот шарик полностью погрузить в керосин, то сила натяжения нити будет равна 3,2 Н.

Определите плотность материала, из которого изготовлен шарик.

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Обозначьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Потом эту сумму разделите на три. Полученное число будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

2. Вы ознакомились с разными силами в механике.

4. Вы узнали о давлении жидкостей и газов, ознакомились с законом Паскаля, законом Архимеда, доказали наличие атмосферного давления.

Зачем ныряльщику воздушный шар

В свое время воздушный шар был сконструирован для полетов человека «за облака». Сегодня благодаря развитию техники воздушные шары и дирижабли используют не как транспортные средства, а в основном для развлечений. Реализация же самой идеи в другой отрасли техники позволила создать батискафы — аппараты для глубоководных исследований. Самым известным из батискафов стал «Триест», который в январе 1960 г. достиг самой глубокой точки в Мировом океане — Марианской впадины.

Попробуем представить ход рассуждений конструкторов батискафа. Если поместить воздушный шар на поверхность моря и нагрузить его балластом так, чтобы вся конструкция оказалась «тяжелее» воды, то естественно, что шар начнет погружаться в воду и через некоторое время достигнет дна. Если после этого сбросить балласт, то шар всплывет на поверхность. Но это общая идея, а как ее реализовать на практике? Рассмотрим рисунки.

Основной элемент конструкции батискафа — «воздушный шар» (1). Однако воздухом шар заполнять не стали, поскольку давление на большой глубине его просто раздавило бы. Шар заполнили бензином: он легче воды, а значит, не хуже воздуха обеспечивает всплытие аппарата, да и стенки шара в таком случае можно сделать достаточно тонкими, а значит, легкими, так как от деформирования их будет защищать несжимаемость жидкости внутри. Гондола с толстыми стенками (толщиной 127 мм) (2) — надежное место для экипажа из двух человек. Балласт (железную дробь) засыпали в емкости, похожие на перевернутые бидоны с крышками (3) и закрывающиеся электромагнитными замками (4).

Питание батискафа осуществлялось от аккумуляторов, имеющих ограниченный ресурс. Это означает, что в случае аварии аккумуляторы через некоторое время прекратят подавать ток к электромагнитным замкам. В результате крышки откроются, балласт упадет на дно, а батискаф всплывет на поверхность. К счастью, эти меры предосторожности так и не пригодились.

С момента погружения «Триеста» прошло более полувека. За это время человечество осуществило настоящий прорыв во многих отраслях техники, но конструкция «Триеста» осталась непревзойденной!

Полеты на поезде, или Что такое маглев

Если мужчине не хватает сил переставить тяжелый шкаф, он может принять стандартное решение — увеличить силу, то есть пригласить на помощь соседа. А может вспомнить, что шкаф плохо движется из-за большой силы трения, и, позвав добросовестного учащегося 7 класса, вместе с ним придумать, как уменьшить эту силу. В результате они, например, могут подложить под углы (ножки) шкафа обыкновенные пластиковые крышки. Сила трения уменьшится, и, чтобы переставить шкаф, будет достаточно усилий даже одного человека. А как решают подобные задачи при создании сложных технических устройств?

Для уменьшения силы трения обычно используют машинные масла — вещества, обеспечивающие более легкое скольжение соприкасающихся поверхностей. Силу трения скольжения можно уменьшить, используя соответствующие соприкасающиеся материалы (вспомните пример со шкафом). Однако поверхности все равно будут соприкасаться и трение останется. Вот если бы шкаф мог летать над землей... И было придумано вот что.

Если взять два магнита и сблизить их определенным образом, магниты будут отталкиваться. А теперь проведем мысленный эксперимент. Что будет, если мощный магнит разместить, например, на подставке, а сверху к нему поднести небольшой магнит? Если второй магнит будет достаточно легким, то есть таким, чтобы сила магнитного отталкивания уравновесила силу притяжения Земли, то он должен летать в воздухе!

Устройства, использующие описанный выше эффект, получили общее название «маглев» (сокращенное от англ. magnetic levitation — магнитная левитация). Больше всего, наверное, поражают маглев-поезда. При движении такие поезда не касаются путей — они удерживаются над ними мощными магнитами. Таким образом, трение по опоре отсутствует, а препятствует движению маглев-поездов только сопротивление воздуха (как и движению самолетов!). Именно поэтому скорость движения маглев-поезда приближается к скорости движения самолета (500-600 км/ч).

Темы рефератов и сообщений

1. Инертность в технике и быту.

2. Эволюция рычажных весов.

3. Г. Галилей, И. Ньютон. Открытие законов механики.

4. Что такое твердое машинное масло?

5. Будет ли мешать невесомость в повседневной жизни?

6. Без силы трения нет жизни.

7. Способы увеличения и уменьшения трения в живой природе.

8. Как уменьшить сопротивление воздуха.

9. Жизнь и достижения Блеза Паскаля.

10. Демонстрация силы давления атмосферного воздуха: удивительный опыт бургомистра Магдебурга Отто фон Герике.

11. Гидравлические машины.

12. Тормоза автомобиля как гидравлическая машина.

13. Глубины, покоренные аквалангистами. Меры безопасности при покорении морских глубин.

14. Аппараты для изучения морских и океанских глубин.

15. Легенды и мифы о жизни Архимеда.

16. Состав атмосферы и атмосферное давление на планетах Солнечной системы.

17. История полетов на воздушных шарах.

18. От воздушного шара до современных самолетов.

19. От древних парусников до современных океанских лайнеров.

20. Выдающийся конструктор украинского происхождения И. И. Сикорский.

21. Интернет-дирижабли.

Темы экспериментальных исследований

1 . Измерение плотности жидкости ареометром, изготовленным из подручных средств.

2. Определение коэффициента трения между компонентами сыпучих строительных материалов.

3. Моделирование процесса образования снежных лавин с помощью подручных сыпучих веществ: пшена, манки, муки и т. п.

4. Создание модели фонтана и демонстрация его действия.

5. Создание модели «Барометр для рыбаков».

6. Моделирование плавания судов с помощью домашней посуды.

7. Создание модели для демонстрации закона Паскаля.