Фізика. Повторне видання. 7 клас. Засєкіна
§ 21. Дізнаємося про судноплавство і повітроплавання
• За яких умов тіло тоне, а за яких — спливає?
ДОСЛІДЖУЙ
1. Візьми посудину з водою та кілька тіл різної густини. З’ясуй, які з них тонуть, які плавають у товщі рідини, а які — на поверхні (мал. 21.1).
Мал. 21.1
2. Перевір, чи літатиме гумова кулька, наповнена вуглекислим газом. Тобі знадобляться: гумова кулька, нитка, пляшка (на горлечко якої можна надіти кульку), оцет і сода.
ДІЗНАВАЙСЯ
За яких умов тіла плавають, тонуть, спливають? На тіло в рідині діють дві сили: тяжіння Fтяж = mg = ρтVTg та виштовхувальна Fв = ρpVтg. Очевидно, що сила тяжіння більша за виштовхувальну тоді, коли густина тіла більша за густину рідини. І навпаки, сила тяжіння менша за виштовхувальну, коли густина тіла менша за густину рідини. Знаючи густину тіла й густину рідини, можна передбачити, як поводитиме себе тіло в рідині.
Умови плавання тіл справедливі як для живих істот, так і для технічних засобів. Густина мешканців водойм (китів, дельфінів, риб) мало відрізняється від густини води. Для плавання у воді вони мають різні пристосування, необхідні для регулювання глибини занурення. Ці пристосування пов’язані зі зміною об’єму певних органів. У риб таким органом є плавальний міхур, у китів — легені.
Якщо риба опускається нижче, то зовнішній тиск води стискає її тіло більше й повітряний міхурець зменшує об’єм. Під час підйому на поверхню об’єм міхурця збільшується, отже, збільшується сила, що виштовхує рибу вгору (мал. 21.2, а).
Лебеді, гуси, качки плавають на поверхні води (мал. 21.2, б), бо мають товстий шар пір’я й пуху, який змащений жировими виділеннями спеціальних залоз. Це ускладнює змочування пір’я й пуху, тому шар містить багато повітря. Завдяки цьому середня густина птаха значно менша від густини води.
Мал. 21.2
У чому секрети плавання суден? Пластинка із жерсті або фольги тоне у воді. Проте якщо надати фользі форму коробки (або кораблика), то вона буде плавати (мал. 21.3, ). Судна, що плавають річками, озерами й морями, збудовані з різних матеріалів неоднакової густини. Особливістю їх виготовлення є те, що вага води, яку витісняє підводна частина судна, дорівнює вазі судна з вантажем у повітрі або силі тяжіння, що діє на судно з вантажем.
Мал. 21.3
Змінюючи густину підводного човна, керують його зануренням. Усередині човна є баластні цистерни (мал. 21.3, б, с. 181), і якщо туди набрати воду, то густина човна стає більшою за густину води, і він починає занурюватися. Для того щоб човен почав спливати, треба витіснити за допомогою стисненого повітря із цистерн воду за межі човна — «продути баласт». Траплялися випадки, коли підводний човен опускався на глинисте дно й більше не міг піднятися. Так стається через те, що за відсутності дії сили тиску води на дно тіла виштовхувальна сила не виникає. Навпаки, сили тиску в такому випадку притискають тіло до дна.
Що потрібно, щоб злетіти? Виштовхувальну силу, що діє в повітрі на всі тіла, використовують для створення літальних апаратів, які легші за повітря, — аеростатів, дирижаблів.
• Перший аеростат (грец. аеро — «повітря» і стат — «нерухомий») сконструювали брати Монгольф’єр (Франція). Це була величезна куля, яку вони наповнили гарячим повітрям і 21 листопада 1783 року здійснили політ на висоті близько 1 км (мал. 21.4, а).
Мал. 21.4
У першій половині XX століття популярними були дирижаблі (фр. dirigeable — «керований»), якими мандрували з Європи до Америки. На відміну від аеростатів, дирижаблі були обладнані пропелерами, за допомогою яких екіпаж керував напрямком руху. На світлині (мал. 21.4, б) зображено дирижабль «Гінденбург».
У наші дні запускають спеціальні метеорологічні аеростати (метеозонди), які здіймаються у стратосферу й вимірюють там характеристики повітря (вологість, тиск тощо) (мал. 21.4, в).
Мал. 21.4
Але ж літаки важчі за повітря, чому вони літають?
Літальні апарати використовують повітря для створення підйомної тяги, проте за різним принципом — аеростатичним або аеродинамічним.
Політ аеростатичних апаратів ґрунтується переважно на дії виштовхувальної сили. Політ аеродинамічних апаратів відбувається в результаті дії підйомної сили. Вона виникає внаслідок кількох чинників і залежить, зокрема, від швидкості руху апарата й повітря, форми і розмірів крила. Що більша швидкість руху літака і більші його крила, то більша підйомна сила (мал. 21.5, а). Коли підйомна сила перевищить силу тяжіння, літак злетить у повітря. Зазвичай це стається за швидкості не менш ніж 180 км/год.
Мал. 21.5
Підйомну силу повітря ти можеш відчути, висунувши руку у вікно автівки під час швидкого руху. Тому в перегонових автомобілях встановлюють антикрило (мал. 21.5, б).
ДУМАЙ
1. Яка умова того, що тіло: а) плаває; б) спливає; в) тоне?
2. Щоб пірнути, кит мусить збільшити свою густину. Як він це робить?
3. Чому тенісний м’ячик, занурений у воду, піднімається на поверхню, а повітряна куля зупиняється, не досягнувши краю атмосфери?
4. У який спосіб можна «відірвати» підводний човен від глинистого дна: а) прокопати під ним тунелі; б) зробити холостий постріл?
5. Дізнайся про катастрофу, що сталася 1937 року з дирижаблем «Гінденбург». Які висновки щодо використання дирижаблів було зроблено після цього? Чому нині знову відновлюють застосування дирижаблів?
6. Обговоріть проблему: повітряні ліхтарики для когось — задоволення, для когось — лихо.
УЧИСЯ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ФІЗИЧНІ ЗАДАЧІ
ЗАДАЧА
ДІЙ
РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ
1. Тіло масою 200 г плаває у воді повністю занурившись. Яку масу води витісняє тіло?
2. Деяке тіло має вагу в повітрі 380 Н і об’єм 0,045 м3. Плаває це тіло у воді чи тоне?
3. У річці плаває плоска крижина завтовжки 0,2 м. Яка висота надводної частини крижини?
4. Наповнена гелієм куля об’ємом 1 м3 може підняти вантаж 1 кг. Який максимальний вантаж вона підніме, якщо її наповнити воднем?
5. Обчисли виштовхувальну силу, що діє на аеростат, наповнений воднем, об’ємом 20 000 м3. Визнач піднімальну силу. Чи змінюється піднімальна сила аеростата зі збільшенням висоти його підйому?
6. Кулю-зонд об’ємом 10 м3 наповнили гелієм. Яка виштовхувальна сила діятиме на кулю-зонд? Чи буде вона змінюватися з висотою?
7. Найбільша повітряна куля у світі була сконструйована 2002 року в американському аерокосмічному агентстві НАСА. Об’єм її оболонки становив 1 700 000 кубічних метрів, а маса — понад 690 кг. Яка сила Архімеда діє на неї, коли вона перебуває в повітрі?
8. Яку силу необхідно прикласти, щоб утримати у воді камінь, маса якого 10 кг? Густина каменя — 2,6 • 103 кг/м3.
ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ
1. Перевір дослідним шляхом, яке навантаження може витримати сірникова коробка й не потонути у воді (для досліду скористайся монетами, масу яких дізнайся з додаткових джерел). На скільки підніметься вода в посудині, коли коробка потоне?
2. Перевір, як зміниться рівень води в посудині, у якій плаває порожня чашка, якщо потопити цю чашку, зачерпнувши нею воду із цієї самої посудини.
3. Дерев’яний кубик лежить на дні склянки. Перевір, чи спливе він, якщо в склянку налити води так, щоб вона не проникала під кубик.
4. Досліди, плаватиме чи потоне мандарин у склянці з водою. Чи зміняться умови плавання, якщо почистити мандарин? Поясни результати дослідження.
5. Підготуй доповідь або презентацію на одну з тем: «Історія повітроплавання», «Історія судноплавства».
ВИКОНАЙ ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України