Почему судно плавает?

Некоторые физические основы. Жидкость не обладает упругостью формы, а обладает только упругостью объема, т. е. приспосабливается к форме сосуда, который она наполняет. Так как частицы жидкости легко могут перемещаться, то в состоянии равновесия поверхность жидкости располагается перпендикулярно по отношению к действующим на нее силам, например к давлению воздуха или к силе тяжести погруженного тела. Отсюда следует также, что поверхность жидкости всегда перпендикулярна к силе тяжести внутренних частиц и, следовательно, принимает сферическую форму поверхности Земли. На практике поверхность жидкости может быть принята за горизонтальную. Жидкости, точно так же, как и твердые тела, можно сжимать только на несколько долей их объема, так как частицы жидкости, несмотря на свою подвижность, так плотно прилегают одна к другой, что расстояние между ними почти невозможно уменьшить, если не применять чрезвычайно большие силы. Можно предположить, что эти частицы не способны сжиматься, т. е. что они несжимаемы.

Плотность (масса единицы объема) воды мало зависит от давления и от температуры. Плотность морской воды увеличивается в зависимости от солености, которая для пресной воды составляет примерно 1,000 кг/м3, для вод Балтийского моря — до 1,015 кг/м3, Северного — до 1,025 кг/м3, Красного — до 1,044 кг/м3, Большого Соленого озера в США — до 1,230 кг/м3, Мертвого моря — до 1,278 кг/м3. Плотность воды отдельных морей имеет существенное значение для судоходства, поскольку, как будет показано далее, сила поддержания и, следовательно, осадка судна прямо пропорциональны ей.

Жидкости подвержены также действию силы тяжести. В жидкости, находящейся в состоянии покоя, сила тяжести действует таким образом, что каждый горизонтальный слой сжимается слоями, лежащими над ним, вследствие чего с увеличением глубины давление (давление силы тяжести, называемое также избыточным или гидростатическим) увеличивается. Оно равно произведению плотности жидкости на данную глубину. Общее давление складывается из давления силы тяжести и атмосферного давления воздуха.

Гидростатическое давление:

1 - атмосферное давление воздуха, 2 - поверхность жидкости, 3 - давление силы тяжести (гидростатическое давление) 4 - глубина.

Если твердое тело погружается в жидкость, то на него со всех сторон действуют силы давления, зависящие от плотности жидкости и от глубины погружения. Атмосферное давление воздуха, пока тело не касается дна, можно не учитывать. У простых тел - параллелепипедов, цилиндров - силы, действующие на тело в 5-горизонтальных направлениях, взаимно компенсируются. Давление же на нижнюю поверхность тела превышает давление на верхнюю, потому что давление силы тяжести увеличивается с глубиной. Вследствие этого возникает направленная вверх выталкивающая сила, величина которой зависит от объема погруженного тела. Греческий математик и физик Архимед, который жил с 287 до 212 г. до н. э., первым сформулировал эту важную закономерность таким образом: «Выталкивающая сила покоящейся жидкости, действующая на погруженное в нее тело, по величине равна весу жидкости, вытесненной телом. Выталкивающая сила направлена вверх и проходит через центр тяжести вытесненного объема».

Этот принцип Архимеда верен для тел любой формы. Однако еще в начале XIX в. старые «морские волки» с деревянных парусников называли сторонников железных судов фантазерами и глупцами. Убежденные, что дерево и другие легкие материалы могут плавать, а железо не может, они не понимали, что выталкивающая сила не имеет никакого отношения к плотности металлов. Выталкивающая сила - это сила, которая позволяет телу плавать. Если тело тяжелее, чем жидкость, вытесненная его объемом, то оно опускается на дно. «Парение» полностью погруженного в жидкость тела возможно только тогда, когда его вес равен выталкивающей силе. При плавании тела в жидкости, т. е. судна в воде, вес судна должен находиться в равновесии с выталкивающей силой. Если судно нагрузить дополнительно - например, грузом - оно будет погружаться до тех пор, пока дополнительный вес груза не станет равен весу дополнительно вытесненной воды.

Силы действующие на погруженное тело:

1 - давление на верхнюю поверхность, 2 - верхняя поверхность, 3 - сила поддержания, 4 - высота тела, 5 - глубина до нижней поверхности, 6 - нижняя поверхность, 7 - давление на нижнюю поверхность, 8 - сила поддержания.

Хотя закон Архимеда доказывает возможность плавания судна, он не объясняет, какое положение занимает плавающее тело. Из опыта известно, что плавающее тело всегда стремится занять определенное положение. Можно наблюдать, что длинное цилиндрическое тело, например ствол дерева, всегда плавает в горизонтальном положении и что тонкая деревянная доска всегда плывет наибольшей поверхностью вниз. Как это можно объяснить физически? Сила веса плавающего тела приложена к центру тяжести тела, а выталкивающая сила - к центру тяжести вытесненной жидкости. Обе силы образуют пару сил и момент, который поворачивает тело до тех пор, пока оба центра тяжести не разместятся на одной вертикали. Если тело приняло это положение, то оно находится в состоянии равновесия, т. е. внешние силы взаимно уравновешены.

Устойчиво ли равновесие тела по отношению к внешним воздействиям, например к действию ветра или волн, которое старается вывести его из равновесия, зависит от того стремятся ли силы, действующие на тело в его новом, вызванном внешними воздействиями положении, восстановить первоначальное состояние равновесия. Если параллелепипед, изображенный на рисунке, вывести из положения равновесия, то появится пара сил, состоящая из веса и выталкивающей силы, которая стремится уменьшить угол наклона или увеличить его. Силы, действующие на тело, создадут момент, противодействующий внешним воздействиям, и равновесие станет устойчивым. Если момент усиливает воздействие, то равновесие становится неустойчивым. Если силы при изменении положения тела не создают момент, то равновесие безразличное. Такое равновесие имеет горизонтально плавающий в воде цилиндр; можно убедиться в том, что цилиндр легко повернуть вокруг его продольной оси из одного положения равновесия в другое: как бы мы ни поворачивали цилиндр, линия действия выталкивающей силы будет проходить через центр тяжести цилиндра.

Силы действующие на корпус судна:

1 - сила веса, 2 - сила поддержания, 3 - ветер или волны, С - центр тяжести погруженного объема, G - центр тяжести судна

Дата добавления: 2015-08-13