Как найти плотность корабля

Корабли бывают разные, большие и малые, пассажирские, грузовые, военные. Все они имеют свои базовые технические характеристики. В частности, среди базовых показателей для каждого судна фигурирует его вес. Это важный показатель, исходя из которого необходимо подбирать двигатель, его мощность, ходовые и другие элементы. Возможная нагрузка на водный транспорт, другие эксплуатационные характеристики также высчитываются с учетом его веса. Таким образом, подсчет данного показателя необходимо осуществлять с максимальной точностью. Но как взвесить корабль?

Можно представить себе поставленную на весы моторную лодку, но даже небольшую яхту едва ли удастся взвесить таким образом. А ведь корабли бывают очень большими по размеру. Представить себе огромный авианосец, стоящий на весах, уже не получится. Так каким же образом осуществляется подсчет веса судов? Многие любознательные люди задаются этим вопросом. Ответ на него предоставить не сложно.

Вытесненная вода и закон Архимеда

На самом деле, все не так уж сложно. Взвесить авианосец или любое другое судно смог бы еще Архимед в свои древние века. Ведь именно он открыл закон, согласно которому вес тела равен весу воды, которая была вытеснена при его погружении. Таким образом, получить результат можно, просто спустив судно на воду. Едва только построив корабль, поместив его в родную среду, можно узнать, сколько именно он весит, с максимальной точностью.

Как осуществляется подсчет объема вытесненной воды?

Но вода – это очень пластичная стихия, тот объем, который был вытеснен при погружении объекта в открытом водоеме, определить крайне проблематично. Разумеется, что объекты для взвешивания помещаются не в открытое море, а в специальный док. Но это актуально только в случае с небольшими по размерам объектами, которые можно поместить в док методом погрузки. Вода при этом поднимется до той или иной отметки, что позволит вычислить вес, учитывая, что все габариты дока в точности известны.

Если рассматривать вариант, при котором корабль будет заходить в шлюз или док своим ходом, будет очевидно, что некоторая часть воды покинет док при входе судна в его ворота. Подход окажется нецелесообразным, данные окажутся неточными. Такая ситуация вынуждает использовать кардинально другой подход. Приходится производить сложные расчеты, учитывая целый ряд конструкторских аспектов, учитывая при этом корпус и особенности его формы, величину его осадки от ватерлинии.

Бывает так, что сведений о той части корабля, что находится под водой, просто нет. Это актуально в первую очередь для военных судов. И в этой ситуации можно рассчитать только приблизительный вес водного транспорта, прояснить точные данные по нему не получится. Результатом сможет стать только приблизительный его тоннаж.

Узнать вес корабля можно до его строительства!

Есть еще более простой способ узнать вес корабля. Причем его общая масса при таком подходе будет известна до того, как его спустят на воду, даже до его создания. Каждый из элементов, входящих в состав судна. Имеет собственный вес. Учитывая массу каждой детали, сложив показатели, можно узнать точный вес судна с минимальной погрешностью.

Интересный факт: современные инженеры узнают другие показатели корабля еще до его строительства – известны заранее его водоизмещение, тот объем, который приходится на подводную часть. Проведенные заранее вычисления исключают ошибки при строительстве судна, позволяют сделать его максимально эффективным в эксплуатации.

Но стоит помнить, что базовый вес корабля, рассчитанный до его строительства инженерами за счет суммирования массы оборудования и деталей – это еще не все. Для обеспечения судну устойчивого положения на воде используется балласт, а кроме того, корабль всегда имеет на борту дополнительные грузы. Стоит помнить о весе членов команды и пассажиров, если таковые есть, мебели и вещах, находящихся на борту, перевозимых грузах, и так далее. Перегружать корабль нельзя, при этом его посадка понижается, возникают проблемы с управлением, риск затопления.

Плотность воды и другие нюансы

А еще стоит помнить, что вода в разных водоемах имеет различную плотность. Ведь соленость водоемов варьирует, разница есть не только между реками и морями, но и между разными участками океанов. В зависимости от плотности воды масса корабля, разумеется, не изменяется, однако осадка варьирует, и этот фактор необходимо иметь в виду.

Таким образом, вес корабля определяют преимущественно расчетами. Каких-то особенных приспособлений, весов или иного оборудования для этого не существует. Зная вес каждой из деталей, можно получить общий показатель для всего корабля. Но также необходимо иметь в виду вес команды, погруженных вещей, чтобы иметь максимально точную для текущего момента цифру.

Как найти плотность неоднородного вещества?

К примеру, я увидел такой текст «…железо и многие другие вещества значительно плотнее воды. Однако современные корабли сделаны из металла и перевозят различные грузы по воде. Как это возможно? Дело в том, что корпус корабля, который погружается в воду, делают объемным, а внутри этот корабль имеет большие полости, заполненные воздухом, что и уменьшает общую плотность корабля.»

Если я знаю какой объем занимает железо, какой объем занимает воздух, то как мне найти плотность этого тела?

Я нашёл только «Плотность тела в точке — это предел отношения массы малой части тела, содержащей эту точку, к объёму этой малой части, когда этот объём стремится к нулю». В таком случае, как складывать плотности материальных точек для вычисления плотности всего тела?

Насколько понизится уровень мирового океана, если в один момент вытащить все корабли на Земле из воды?

— Майкл Тоже

Примерно на шесть микрон — это лишь чуть-чуть больше, чем диаметр нити паучьего шёлка.

Согласно закону Архимеда, вода, вытесненная кораблем, весит столько же, сколько и сам корабль. Если мы сможем узнать общий вес всех кораблей в мире, мы сможем определить вес воды, которую они вытесняют, а затем разделить объём вытесненной воды на площадь поверхности мирового океана и, таким образом, определить, насколько уменьшится уровень воды.

Смущают способы определения веса кораблей. Есть много разных способов измерить размер корабля, и большинство из них, например, валовая вместимость, на самом деле измеряют объём пространства кают корабля и других внутренних помещений, но не его массу.

Конференция ООН по торговле и развитию публикует приблизительные оценки объёмов мирового судоходного флота.

Среди того, что публикует ЮНКТАД^[1],↲ЮНКТАД — Конференция ООН по торговле и развитию.↳ есть «номинальная грузоподъемность», определяемая как максимальная масса топлива корабля, груза и экипажа. То же, что мы хотим найти называется водоизмещением. К сожалению, исчерпывающие данные по водоизмещению найти труднее.

К счастью, мы можем оценить его. В книге Брайана Баррасса «Проектирование и оптимизация ходовых качеств кораблей для капитанов и старших помощников» можно найти таблицу соотношений полной грузоподъёмности в тоннах к водоизмещению для различных типов кораблей.

Экстраполируя данные по ЮНКТАД за последние несколько лет и используя коэффициенты из книги, предполагаем, что мировой флот весит около 2,15 миллиардов тонн при полной загрузке. Главный фактор, определяющий вес флота — нефтяные танкеры и балкеры^[2],↲Балкер — судно перевозящее сыпучие грузы (зерно, уголь, руда, цемент).↳ перевозящие руду, которые в сумме дают около 2/3 от общего значения. (Данные ЮНКТАД не включают в себя прогулочные маломерные суда или военно-морской флот. Однако, основываясь на некоторых цифрах для военно-морского флота и прогулочных кораблей, ни один из них не даст ощутимого вклада в итоговое значение.)

В кубическом метре примерно тонна воды. 2,15 миллиардов кубических метров, поделённые на площадь поверхности Мирового океана, примерно равны 6 микронам (0,006 мм).

Но не стоит волноваться по поводу этого шестимикронного уменьшения уровня мирового океана. Сегодня мировой океан поднимается примерно на 3.3 миллиметра в год из-за глобального потепления (как из-за таяния ледников, так и из-за теплового расширения морской воды).

При такой скорости заполнения (нормированной по разнице во временах года и краткосрочным отклонениям), если бы вы убрали все корабли из Мирового океана, вода вернулась бы на свой прежний средний уровень за 16 часов.

Уровень мирового океана наверняка поднимется на несколько десятков сантиметров к 2100 году. Общая масса свежевыловленной рыбы составляет примерно 2 миллиарда тонн, так что и их удаление тоже не окажет сколь-либо значимое влияние. (Общий вес всех морских рыб уменьшился на 80% за последний век, что, принимая во внимание скорость роста мирового флота, ведёт к странному заключению. В какой-то из предыдущих годов мы достигли точки, в которой вес кораблей, находящихся в океане, стал больше веса всей рыбы.)

А как насчёт старой шутки о том, насколько глубже стал бы океан без губок? Если оценку биомассы губок сложно получить, то ответ вполне очевиден: если бы вы убрали все губки, уровень мирового океана упал бы не более, чем на пару тройку микрон… и гораздо меньше, если бы вы сначала их выжали.

02-д. Средняя плотность и плавание тел

§ 02-д. Средняя плотность и плавание тел

До сих пор мы рассматривали тела, состоящие только из одного вещества. Теперь проведём опыт, в котором есть тело, состоящее из нескольких веществ. Нам понадобятся сосуды со спиртом, водой и раствором соли; возьмём также куриное яйцо и кубик льда. Опустим их сначала в спирт. И лёд, и яйцо утонут. Переложим тела в воду. Яйцо утонет, а лёд будет плавать. В растворе соли оба тела будут плавать:

Для объяснения результатов опыта воспользуемся числовой прямой. Взгляните: на ней отмечены плотности всех веществ и тел, использованных в опыте. Мы видим, что плотность льда больше плотности спирта, и в нём лёд тонет. Однако плотность льда меньше плотности воды и раствора соли, и в них лёд плавает.

На прямой мы отметили и плотность яйца – около 1050 кг/м³. Это средняя плотность яйца, поскольку оно состоит из нескольких веществ (белка, желтка и скорлупы). Средняя плотность яйца больше плотности воды, но меньше плотности раствора соли. Поэтому в воде яйцо тонет, а в растворе соли – нет.

По результатам опыта мы сформулируем обобщение: если средняя плотность тела больше плотности жидкости, то это тело в ней тонет; если средняя плотность тела меньше плотности жидкости, то это тело в ней всплывает.

Средняя плотность тела вычисляется по той же формуле, что и плотность вещества (см. § 2-в). Но, в отличие от плотности вещества, числовое значение средней плотности тела не показывает массу единицы объёма тела. Например, средняя плотность яйца 1050 кг/м³ или в более удобных единицах – 1,05 г/см³. Однако из этого совсем не следует, что масса каждого 1 см³ яйца будет именно 1,05 г. Это – усреднённое значение.

Красивое явление – айсберг, плавающий в океане. Однако знаете ли вы, что нашему взору предстаёт лишь 1 / ₁₀ часть всего айсберга, а 9 / ₁₀ скрыто водой? Но если в воде будет плавать бревно, то оно погрузится примерно до половины (см. рисунок). Почему же вода скрывает от нас только половину бревна, а айсберг – почти целиком?

Вспомним, что плотность льда составляет 900 кг/м³, а плотность древесины – около 500 кг/м³ в зависимости от её породы и влажности. Представим эти числа графически – в виде так называемой столбчатой диаграммы (см. ниже).

Видим: длина столбика «древесина» составляет половину ( 1 / ₂ часть) от длины столбика «вода». При этом длина столбика «лёд» составляет 9 / ₁₀ от длины столбика «вода». Иначе говоря, средняя плотность древесины составляет 1 / ₂ , а льда – 9 / ₁₀ от плотности воды. Именно поэтому в водe погружена половина бревна, а айсберг – почти весь.

Из этих рассуждений можно сформулировать обобщение: внутри жидкости находится такая доля плавающего тела, какую составляет его средняя плотность от плотности жидкости.

Эта закономерность применяется в технике, например для измерения плотности жидкости ареометром. Его рисунок вы видите на странице, открывающей тему. Ареометр – это стеклянный поплавок со шкалой вверху и свинцовой дробью внизу. От объёма корпуса и массы дроби зависит средняя плотность ареометра. В зависимости от плотности окружающей жидкости меняется погружённая доля ареометра. Плотность жидкости мы определяем по её уровню на шкале.

Источник

Архимедова сила: что это такое и как действует

Рассказываем, почему железные корабли не тонут, а воздушные шары летают, что такое «эврика» и при чём здесь Дональд Дак.

Гениальный учёный Архимед, живший в древнегреческих Сиракузах в III веке до нашей эры, прославился среди современников как создатель оборонительных машин, способных перевернуть боевой корабль. Другое его изобретение, «Архимедов винт», по сей день остаётся важнейшей деталью гигантских буровых установок и кухонных мясорубок. Мир обязан Архимеду революционными открытиями в области оптики, математики и механики.

Его личность окутана легендами, порой весьма забавными. С одной из них мы и начнём нашу статью.

«Эврика!» Открытие закона Архимеда

Однажды царь Сиракуз Гиерон II обратился к Архимеду с просьбой установить, действительно ли его корона выполнена из чистого золота, как утверждал ювелир. Правитель подозревал, что мастер прикарманил часть драгоценного металла и частично заменил его серебром.

В те времена не существовало способов определить химический состав металлического сплава. Задача поставила учёного в тупик. Размышляя над ней, он отправился в баню и лёг в ванну, до краёв наполненную водой. Когда часть воды вылилась наружу, на Архимеда снизошло озарение. Такое, что учёный голышом выскочил на улицу и закричал «Эврика!», что по-древнегречески означает «Нашёл!».

Он предположил, что вес вытесненной воды был равен весу его тела, и оказался прав. Явившись к царю, он попросил принести золотой слиток, равный по весу короне, и опустить оба предмета в наполненные до краёв резервуары с водой. Корона вытеснила больше воды, чем слиток. При одной и той же массе объём короны оказался больше, чем объём слитка, а значит, она обладала меньшей плотностью, чем золото. Выходит, царь правильно подозревал своего ювелира.

Так был открыт принцип, который теперь мы называем законом Архимеда:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела.

Эта выталкивающая сила и называется силой Архимеда.

Формула силы Архимеда

На любой объект, погружённый в воду, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, вес объекта, погружённого в воду, будет отличаться от его веса в воздухе в меньшую сторону. Разница будет равна весу вытесненной воды.

Чем больше плотность среды — тем меньше вес. Именно поэтому погрузившись в воду, мы можем легко поднять другого человека.

Выталкивающая сила зависит от трёх факторов:

• плотности жидкости или газа (p);
• ускорения свободного падения (g);
• объёма погружённой части тела (V).

Сопоставив эти данные, получаем формулу:

Как действует сила Архимеда

Поскольку сила Архимеда, действующая на тело, зависит от объёма его погружённой части и плотности среды, в которой оно находится, можно рассчитать, как поведёт себя то или иное тело в определённой жидкости или газе.

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Если плотности тела и жидкости или газа равны — тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа.

Если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа, — оно уйдёт на дно.

Сила Архимеда в жидкости: почему корабли не тонут

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет.

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган — плавательный пузырь.

На тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу.

Но чтобы поднять корабль на поверхность, необходимо уменьшить его плотность. Разумеется, воздух в получившем пробоину корпусе не удержится. Поэтому его заполняют каким-нибудь лёгким веществом, например, шариками пенополистирола.

Примечательно, что эта идея впервые пришла в голову не учёным, а авторам диснеевского комикса, в котором Дональд Дак таким образом поднимает со дна яхту Скруджа Макдака. Датский инженер Карл Кройер (Karl Krøyer), впервые применивший метод на практике, по собственному признанию вдохновлялся «Утиными историями».

Сила Архимеда в газах: почему летают дирижабли

В воздухе архимедова сила действует так же, как в жидкости. Но поскольку плотность воздуха обычно намного меньше, чем плотность окружённых им предметов, выталкивающая сила оказывается ничтожно мала.

Впрочем, есть исключения. Воздушный шарик, наполненный гелием, стремится вверх именно потому, что плотность гелия ниже, чем плотность воздуха. А если наполнить шар обычным воздухом — он упадёт на землю. Плотность воздуха в нём будет такая же, как у воздуха снаружи, но более высокая плотность резины обеспечит падение шарика.

Этот принцип используется в аэростатах — воздушные шары и дирижабли наполняют гелием или горячим воздухом (чем горячее воздух, тем ниже его плотность), чтобы подняться, и снижают концентрацию гелия (или температуру воздуха), чтобы спуститься. На них действует та же выталкивающая сила, что и на подводные лодки. Именно поэтому перемещения на аэростатах называют воздухоплаванием.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72021 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается архимедова сила.

Когда сила Архимеда не работает

• Если тело плотно прилегает к поверхности. Если между телом и поверхностью нет жидкости или газа — нет и выталкивающей силы. Именно поэтому подводным лодкам нельзя ложиться на илистое дно — мощности их двигателей не хватит, чтобы преодолеть давление толщи воды сверху.
• В невесомости. Наличие веса у жидкости или газа — обязательное условие для возникновения архимедовой силы. В состоянии невесомости горячий воздух не поднимается, а холодный не опускается. Поэтому на МКС создают принудительную конвекцию воздуха с помощью вентиляторов.
• В растворах и смесях. Если в воду налить спирт, на него не будет действовать сила Архимеда, хотя плотность спирта меньше плотности воды. Поскольку связь между молекулами спирта слабее, чем связь молекул воды, он растворится в воде, и образуется новая жидкость — водный раствор спирта.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Попробовать бесплатно

Интересное по рубрике

Найдите необходимую статью по тегам

Подпишитесь на нашу рассылку

Мы в инстаграм

Домашняя онлайн-школа
Помогаем ученикам 5–11 классов получать качественные знания в любой точке мира, совмещать учёбу со спортом и творчеством

Посмотреть

Рекомендуем прочитать

Реальный опыт семейного обучения

Звонок по России бесплатный

Пишите нам письма

Посмотреть на карте

Если вы не нашли ответ на свой вопрос на нашем сайте, включая раздел «Вопросы и ответы», закажите обратный звонок. Мы скоро свяжемся с вами.

Источник