Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 29. Судноплавство та повітроплавання

Сталевий брусок у воді тоне, проте сталеві судна плавають. Нейлонова тканина падає в повітрі, а повітряні кулі, виготовлені із цієї тканини, здіймаються вгору і піднімають гондоли з пасажирами. Чому ж сталеві судна плавають у воді, a повітряні кулі називають апаратами, що легші за повітря? Отримати відповіді на ці запитання вам допоможуть знання про основи судноплавства та повітроплавання.

1. З’ясовуємо, чому плавають судна

На перший погляд, сталь не є придатною для виготовлення плавучого засобу: густина сталі набагато більша від густини води, тому сталева пластинка у воді тоне. Але якщо з пластинки зробити човник і покласти його на поверхню води, він плаватиме (рис. 29.1). Чому?

Річ у тім, що занурена частина човника витісняє води достатньо, щоб архімедова сила зрівноважила силу тяжіння, яка діє на човник. Іншими словами, середня густина човника за рахунок повітря всередині нього набагато менша від густини води. Тому човник плаває на поверхні води, лише трохи занурюючись.

Саме ця властивість лежить в основі конструкції всіх суден.

Рис. 29.1. Сталева пластинка тоне, а виготовлений з неї човник плаває

Таким чином, середня густина суден набагато менша за густину води, тому судна плавають на її поверхні, занурюючись на відносно невелику частину свого об’єму.

2. З’ясовуємо характеристики суден

Коли нове судно спускають на воду, воно починає занурюватися в неї. Нижня частина судна починає витісняти воду, унаслідок чого виникає архімедова сила. Коли архімедова сила зрівноважує силу тяжіння, що діє на судно, воно перестає занурюватися.

Глибину, на яку занурюється судно, називають осадкою. Осадка судна змінюється залежно від навантаження судна та від того, в річковій чи морській воді воно перебуває. Зрозуміло, що судно не можна перевантажувати.

Лінія на корпусі судна, що позначає його максимально допустиму осадку, за якої судно може безпечно плавати, називається ватерлінією (рис. 29.2). Коли судно повністю навантажене, то воно занурене у воду врівень із ватерлінією.

Рис. 29.2. Корпус суден фарбують у два кольори. Зазвичай корпус пофарбований так, що вище від ватерлінії він чорний або білий, а нижче — відповідно червоний або чорний

Вага води, яку витісняє судно, занурене до ватерлінії, тобто архімедова сила, що діє на повністю навантажене судно, називається повною водотоннажністю судна.

Нагадаємо: оскільки навантажене судно плаває на поверхні води, то архімедова сила, яка діє на нього, за значенням дорівнює силі тяжіння, що діє на судно з вантажем:

Fарх = Fтяж = (mсудна + mвант)g.

Найбільші судна — танкери для нафти — мають повну водотоннажність до 5 млн кН, тобто їхня маса з вантажем сягає 500 000 т. Якщо з повної водотоннажності виключити вагу самого судна, то отримаємо максимальну вагу вантажу, який може взяти на борт це судно, тобто визначимо вантажність судна.

Вантажність судна — максимальна вага вантажу, який судно може взяти на борт, — це різниця між повною водотоннажністю судна та його вагою.

Україна — морська держава. У країні є морський і річковий флот, а також порти, що мають велике економічне значення: Одеський, Чорноморський, Південний, Миколаївський, Бердянський, Маріупольський.

3. Дізнаємося, як здійснилася мрія людини літати

Люди вже давно використовують повітряні кулі (аеростати), що здіймаються завдяки заповненню їхньої оболонки гарячим повітрям або легким газом.

На повітряну кулю в повітрі діє виштовхувальна сила. Середня густина повітряної кулі менша від густини повітря, тому виштовхувальна сила більша за силу тяжіння і куля піднімається.

Різниця між виштовхувальною (архімедовою) силою і силою тяжіння становить піднімальну силу повітряної кулі.

Зараз повітряні кулі використовують для метеорологічних та інших досліджень, змагань, перевезень пасажирів, туристичних і пізнавальних подорожей.

Повітряні кулі, наповнені легким газом (переважно гелієм), називають шарльєрами. Останнім часом набули поширення повітряні кулі, наповнені гарячим повітрям, — сучасні монгольф’єри (рис. 29.3). Високу температуру повітря всередині кулі підтримують газові пальники, встановлені в горловині повітряної кулі.

Рис. 29.3. Повітряні кулі, які здіймаються завдяки заповненню оболонки гарячим повітрям, і зараз називають монгольф’єрами (на честь братів Монгольф’є із Франції, які у XVIII ст. зробили цій винахід)

Оскільки густина повітря з висотою зменшується, повітряні кулі не можуть піднятися на яку завгодно висоту.

Повітряні кулі піднімаються тільки до тієї висоти, де густина повітря дорівнює середній густині кулі з вантажем.

4. Учимося розв’язувати задачі

Задача 1. У річковому порту судно взяло на борт 100 т вантажу, через що осадка судна збільшилася на 0,2 м і досягла максимально допустимої. Якою є площа перерізу судна на рівні ватерлінії?

Аналіз фізичної проблеми. Коли на судно помістили вантаж, воно збільшило осадку і додатково витіснило певний об’єм води. Відповідно до закону Архімеда, вага вантажу дорівнює вазі витісненої води: Pвант = Pвит. води.

Унаслідок збільшення осадки судна лише на 20 см площа перерізу судна на рівні поверхні води змінилася незначно, тому об’єм додатково витісненої води дорівнює Vвит. води = hS, де h — збільшення осадки; S — площа перерізу судна на рівні ватерлінії, оскільки судно досягло максимальної осадки.

Порт річковий, тому густина води дорівнює 1000 кг/м3.

Задачу слід розв’язувати в одиницях CI.

Ми розв’язали задачу 1 по діях. Розв’яжіть ту саму задачу в загальному вигляді (отримайте загальну формулу, перевірте одиницю, знайдіть числове значення шуканої величини).

Задача 2. Об’єм повітряної кулі дорівнює 400 м3. Куля натягує трос, яким прикріплена до причалу, із силою 800 Н. Після звільнення троса куля змогла піднятися на певну висоту. Якою є густина повітря на цій висоті, якщо густина повітря навколо причалу становить 1,3 кг/м3?

Аналіз фізичної проблеми. Куля припинила підніматися тому, що на цій висоті її середня густина дорівнює густині повітря (pпов). Щоб визначити середню густину кулі, слід знайти її масу. Масу кулі знайдемо за силою тяжіння, що діє на кулю.

Контрольні запитання

1. Чому металеве судно плаває на поверхні води? 2. Що таке осадка судна? 3. Як максимально допустиму осадку позначають на корпусі судна? 4. Дайте означення повної водотоннажності судна, вантажності судна. 5. Як знайти піднімальну силу повітряної кулі? 6. Чим обмежена максимальна висота підняття повітряної кулі?

Вправа № 29

1. У прісній воді судно витісняє воду об’ємом 15 000 м3. Визначте: а) повну водотоннажність судна; б) вагу вантажу, якщо вага судна без вантажу становить 5 000 000 Н.

2. Вантаж якої найбільшої маси можна перевезти на плоті, якщо маса плота дорівнює 100 кг, а його об’єм становить 1 м3?

3. Повітряна кулька масою 100 г натягує нитку, на якій утримується, із силою 1 Н. Визначте: а) силу тяжіння, що діє на кульку; б) архімедову силу, що діє на кульку.

4. Чи зміниться виштовхувальна сила, яка діє на судно, коли судно перейде з річки в море? Чи зміниться осадка судна?

5. У річці судно витісняє воду об’ємом 20 000 м3. На скільки зміниться об’єм води, яку витісняє судно, якщо воно перейде з річки до моря?

6. Густина повітря поблизу поверхні Землі дорівнює 1,29 кг/м3. Якою має бути густина теплого повітря всередині повітряної кулі, щоб куля почала підійматися? Об’єм кулі становить 500 м3, маса оболонки й вантажу — 150 кг.

7. Підготуйте доповідь або презентацію на одну з тем: «Історія повітроплавання», «Історія судноплавства».

Експериментальне завдання

«Човен». Виготовте з пластиліну човник і запустіть його в плавання (див. рисунок). За допомогою металевих монет (див. експериментальне завдання в § 15) визначте вантажність і водотоннажність вашого човника.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.