Фізика. 7 клас. Сиротюк

§ 39. Умови плавання тіл

Ви вже знаєте, що на занурене в рідину тіло діють дві сили: сила тяжіння Fтяж = gm, напрямлена вертикально вниз, і архімедова сила FA = gppVт, напрямлена вертикально вгору.

Під дією цих сил тіло рухатиметься в бік більшої сили. При цьому можливі такі випадки:

  • 1. Якщо сила тяжіння менша від архімедової сили (Fтяж < FA), то тіло спливатиме (мал. 209, а). На поверхні воно буде плавати, частково занурившися на глибину, якої достатньо для виникнення архімедової сили, що врівноважує вагу тіла.
  • 2. Якщо сила тяжіння дорівнює архімедовій силі (Fтяж = FA), то тіло буде в рівновазі в будь-якому місці рідини (мал. 209, б).
  • 3. Якщо сила тяжіння більша за архімедову силу (Fтяж > FA), то тіло потоне (мал. 209, в).

Розглянуті умови плавання тіл кожного разу визначаються співвідношенням між густинами рідини й зануреного тіла.

Мал. 209

  • 1. Якщо густина суцільного тіла менша, ніж густина рідини (рт < рр), то тіло буде плавати на поверхні, частково занурившись у воду.
  • 2. Якщо густина суцільного тіла дорівнює густині рідини (рт = рр), то спостерігатиметься стан байдужої (індиферентної) рівноваги, коли тіло може зависнути на будь-якій глибині (у водоймах це становить небезпеку для судноплавства через можливе зіткнення).
  • 3. Якщо густина суцільного тіла більша, ніж густина рідини (рт > рр), то тіло тонутиме.

Підводний човен, опустившись на мулисте дно, іноді ледь-ледь може відірватися від нього. Таке присмоктування човна до дна виникає тоді, коли човен притискується до ґрунту так, що між ним і ґрунтом немає води. Отже, вода не тисне на його нижню частину, тобто не виникає виштовхувальної сили.

Жак-Ів Кусто

Для виконання підводних робіт використовують водолазні костюми (мал. 210). Вони мають масу до і більше 50 кг, тому що їх підошви роблять свинцевими, щоб збільшити вагу водолаза і надати йому більшої стійкості під час роботи у воді.

Як же може водолаз пересуватися в такому важкому костюмі? Завдяки значному об’єму костюма виштовхувальна сила води зрівноважує майже всю його вагу, тому водолаз має можливість вільно пересуватися у воді. Користуючись аквалангом, який винайшов відомий дослідник морських глибин французький учений Жак-Ів Кусто, людина може довго перебувати у воді й вільно плавати (мал. 211).

Для дослідження морів і океанів на великих глибинах використовують батисфери й батискафи. Батисфера (з грец. батис - глибокий і сфера) - це дуже міцна сталева куля з ілюмінаторами (вікнами) з товстого скла. Усередині кулі перебувають дослідники, які підтримують зв’язок з кораблем. Батисферу опускають на сталевому тросі (мал. 210).

Батискаф (з грец. батис - глибокий; скафос - судно) відрізняється від батисфери тим, що він не утримується на тросі, має власний двигун і може вільно переміщатися на великих глибинах (до 11 км) у будь-яких напрямах (мал. 210, 212).

Тіло, яке має меншу густину, ніж деякі рідини, по-різному заглиблюється в них. Це явище використовують у ареометрах (з грец. араіос - рідкий і метрео - міряю) - приладах для вимірювання густини рідини за глибиною їх занурення. Будь-який ареометр є скляним поплавком у вигляді трубки з поділками й тягарем унизу (мал. 213, а). Він занурюється в рідину тим глибше, чим менша густина рідини. У нижній частині ареометра може бути термометр для вимірювання температури досліджуваної рідини.

Мал 210

Мал. 211

Мал. 212

Ареометри мають ще й іншу назву, їх називають денсиметрами (з лат. денсус - густий і метрео - міряю). Денсиметрами можна виміряти густини рідин від 0,7 до 2,0 г/см3.

На малюнку 213, б показано денсиметри різних видів:

  • 1 - денсиметр для вимірювання густини рідин, які мають густину меншу, ніж вода. Межі вимірювання: 800-1000 кг/м3;
  • 2 - денсиметр для вимірювання густини рідин, які мають більшу густину, ніж вода. Межі вимірювання: 1000-1200 кг/м3;

Мал. 213

Мал. 214

  • 3 - денсиметр для вимірювання густини рідин, які мають густину більшу, ніж вода. Межі вимірювання: 1000-2000 кг/м3;
  • 4 - спиртометр. Межі вимірювання: 0-95 %;

Тіло, яке плаває, своєю підводною частиною витискує воду. Вага цієї води дорівнює силі тяжіння, що діє на тіло. Це справедливо й для будь-якого судна. Вага води, яку витискує підводна частина судна, дорівнює силі тяжіння, що діє на судно з вантажем.

Усі судна занурюються у воду на певну глибину, яку називають осадкою. Найбільш допустиму осадку позначають на корпусі судна червоною лінією, яку називають ватерлінією (з голланд. ватер - вода). Крім ватерлінії, на суднах роблять інші позначки, які визначають рівень занурення судна в різних морях і океанах та залежно від пори року (мал. 214). Це пов’язано з тим, що густина води в різних місцях Світового океану різна, окрім того, вона залежить ще й від температури води (улітку густина менша, ніж узимку).

Кожне судно має свою водотоннажність, або тоннажність. Водотоннажність судна - це вага витиснутої судном води, яка дорівнює силі тяжіння, що діє на судно з вантажем, при його зануренні у воду.

Найбільші судна використовують для перевезення нафти, їх називають танкерами. Водотоннажність таких суден сягає 5 000 000 000 Н.

Понад 200 років відділяють нас від перших повітряних польотів людини. 5 травня 1783 р. відбулася перша прилюдна демонстрація польоту оболонки, наповненої гарячим повітрям. 21 листопада того самого року французькі винахідники брати Жозеф і Етьєнн Монгольф’є здійснили перший політ повітроплавців (мал. 215). А через 10 днів французький фізик Жак Шарль помандрував у повітряному океані на аеростаті власної конструкції, оболонка якого була наповнена воднем. Цей аеростат став прообразом дирижаблів.

Мал. 215

Мал. 216

Мал. 217

Для дослідження верхніх шарів атмосфери на метеорологічних станціях запускають невеликі, діаметром 1-2 м, повітряні кулі-зонди (мал. 216). Вони піднімаються на висоту до 35-40 км. До них підвішують прилади, які посилають по радіо сигнали про висоту польоту, тиск, температуру повітря. За напрямом і швидкістю польоту кулі можна визначати напрям і силу вітру на різних висотах. Відомості, які отримують з таких зондів, дуже важливі для прогнозування погоди.

На малюнку 217 зображено керований літальний апарат, легший від повітря, - дирижабль. Цьому апарату надають руху гвинти, які обертаються двигунами. Великим недоліком апаратів такого типу є те, що їх оболонка наповнюється воднем, а цей газ вогненебезпечний.

Повітряні кулі, стратостати, дирижаблі, зонди піднімаються вгору за рахунок того, що вони наповнені газами, які легші від повітря, і на них діє виштовхувальна сила.

Це цікаво знати

У червні 1893 р. канадський пароплав «Порція» робив рейс з порту Сент-Джон (Ньюфаундленд) у Нью-Брансуїк. Повз судно пропливали величезні льодові гори - айсберги. Пасажири захотіли краще роздивитися айсберг й умовили капітана наблизитися до одного з них. «Порція» застопорила машини за 70 м від айсберга. Довжина плавучої гори дорівнювала майже 250 м, а висота - 60 м. Несподівано льодове громаддя, що іскрилося на сонці, швидко відійшло від пароплава, і водночас корпус судна зазнав різкого поштовху. Здивовані матроси й пасажири побачили, що пароплав лежить на величезній крижині і з кожною секундою піднімається дедалі вище над поверхнею води.

Стався неймовірний випадок! Відомо, що час від часу айсберги перевертаються. Пароплав був підхоплений щілиною в підводній частині айсберга і залишався на вершині льодової гори впродовж кількох хвилин. Потім айсберг хитнувся і знову зайняв попереднє положення, а судно благополучно опинилося у воді. А втім, не зовсім благополучно: у його обшивці утворилася тріщина і «Порція» ледве дісталася найближчого порту.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Сформулюйте умови плавання тіл.
  • 2. У якому випадку тіло плаває, частково виступаючи над поверхнею рідини?
  • 3. У якій з рідин плаватиме лід: у гасі, воді чи спирті?
  • 4. Для чого використовують денсиметри (ареометри)?
  • 5. Чому тоне корабель, який отримав пробоїну?
  • 6. Що таке осадка? Ватерлінія? Водотоннажність судна?
  • 7. Хто вперше здійснив політ на повітряній кулі?
  • 8. Назвіть повітряні літальні апарати.
ГДЗ до підручника можна знайти тут.