Физика

Объяснение гидроаэромеханики

Отчего плавают рыбы, почему птицы не падают на землю? Как построить корабль, чтобы он не утонул? Может ли машина подняться в воздух, двигаться по небу или зависнуть в небе? Пытаясь найти ответы на эти и на многие другие вопросы, люди создали много разных наук. Их название начинаются со слова гидро, что в переводе означает вода, или аэро, что в переводе означает воздух. Если собрать эти науки вместе, то получится объемная наука – гидроаэромеханика.

 

Она рассматривает вопросы, связанные с движением жидкостей и воздуха, а также всех тел, которые в них находятся – животных и человека, парусных судов, самолетов и воздушных шаров.

 

Знакомство с гидромеханикой

 

Масса современных судов достигает нескольких десятков тысяч тонн. Почему же эти корабли не тонут? Всё дело в том, что их средняя плотность по-прежнему меньше плотности воды, а выталкивающая архимедова сила уравновешивает силу тяжести, и корабль не тонет.

 

 

Опыт с корабликом из фольги. Понятие осадки и ватерлинии

 

Рассмотрим опыт из предыдущего урока: если мы возьмем кусочек фольги и опустим его в воду, то он утонет. Но если из этой же самой фольги сделать кораблик, то он благополучно будет покоиться на поверхности воды. В чем же дело? Дело в том, что любой современный корабль содержит множество отсеков, заполненных воздухом. Если бы корабль был сделан из цельного куска металла, то он, конечно, бы утонул. Получается, что наличие пустых помещений, заполненных воздухом, приводит к тому, что средняя плотность судна оказывается меньше плотности воды. Глубина, на которую погружается судно, называется осадкой. При полной загрузке судна, оно не должно погружаться в воду ниже определенной линии. Её называют грузовой ватерлинией (рис. 1), то есть линией, с которой соприкасается поверхность воды и корпус судна при его полной загрузке.

 

Рис. 1. Ватерлиния, нанесенная на корпус корабля (черным) (Источник)

Постепенно загружая кораблик грузом, увидим, что с ним произойдет: осадка становится всё ниже, и при определенном значении корабль тонет. Вес груза превысил определенное значение, корабль опустился ниже ватерлинии. Хотелось бы обратить ваше внимание, что при погружении корабль вытесняет определенное количество воды.

 

Водоизмещение, грузоподъемность. Решение задачи

 

Вес воды, вытесненный кораблем при погружении, называется водоизмещением. Численно водоизмещение равно весу корабля вместе с грузом. Разница между водоизмещением и весом судна называется грузоподъемностью судна.

 

Решим задачу.

Нам необходимо определить грузоподъемность судна. Судно погружено в пресную воду до ватерлинии и при этом вытесняет воду объемом 15000 кубических метров. Известно, что вес самого судна составляет 5х10⁶ ньютон. Запишем краткое условие задачи:

Дано:

V_в=15000 м³

ϱ_в=1000 кг/ м³

P_с = 5х10⁶ H

-------------------

P_г= ?

Нам необходимо рассчитать грузоподъемность судна. Обозначим грузоподъемность как вес груза. Для этого нам нужно из веса вытесненной воды вычесть вес судна:

P_г= P_вв- P_с , вес вытесненной воды рассчитывается:

P_вв= ϱ_в ∙ g ∙ V_в , как плотность воды на величину g и на объем вытесненной воды. Подставим это в исходную формулу и получим выражение для расчета:

P_г= ϱ_в ∙ g ∙ V_в - P_{с .}

Проведем анализ размерности, при подстановке всех размерных величин и математических преобразованиях, мы получим, что грузоподъемность судна будет измеряться в ньютонах.

Подставим числовые данные:

Т. е. грузоподъемность судна равна 145∙10⁶ Н.

 

Подводные лодки, эксперимент с газировкой

 

Суда, способные плавать под водой, называют подводными, а все остальные – надводными. Первая подводная лодка появилась в Англии в 1620 году, в России подводные лодки появились позднее, в 1724 году.

 

Проведем эксперимент.

В сосуд нальем газированную воду и опустим туда виноградинку. Она опустится на дно, потому что ее плотность больше плотности воды, но, облепленная пузырьками газа, она поднимется на поверхность. Как только пузырьки газа будут постепенно лопаться, она вновь опустится на дно, и так будет продолжаться до тех пор, пока весь газ из газировки не выйдет. Движение виноградинки аналогично тому, как движутся подводные лодки, внутри которых есть специальные балластные цистерны. Когда необходимо, чтобы лодка погрузилась, цистерны открываются и забортная вода устремляется внутрь – лодка опускается на дно. При необходимости поднятия наверх – под давлением сжатый воздух заполняет эти балластные цистерны, вытесняя забортную воду, и облегченная лодка поднимается на поверхность.

 

Развитие водного транспорта

 

Развитие водного транспорта имеет огромное значение, так как это достаточно дешевый вид транспорта с огромной грузоподъемностью, и именно благодаря водному транспорту осуществляется торговля со многими зарубежными странами.

 

 

Завершение

 

Список литературы

 

1. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
2. Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.
3. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «myshared.ru»  (Источник)
2. Интернет-портал «files.school-collection.edu.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Что такое гидроаэромеханика?
2. К чашкам весов подвешены на нитях два одинаковых по объему тела: одно из меди, а другое из алюминия. Весы уравновешены. Нарушится ли равновесие, если тела опустить в воду, и как?
3. Дать определение водоизмещению и грузоподъемности.