Как судно держится на воде: «Как многотонные корабли, с научной точки зрения, держатся на воде?» — Яндекс Кью

Знаете ли вы?

Считается, что Архимед бегал голым по улицам с криком «Эврика!» («У меня есть!» по-гречески), после того как понял, что количество воды, вытесненной из его ванны, равно весу его тела.

Как плавучесть связана с плотностью?

Если деревянный брусок размером один кубический сантиметр (1 см х 1 см х 1 см) поместить в сосуд с водой, количество вытесненной воды будет равно весу деревянного бруска. А что если блок такого же размера сделать из свинца? У свинца гораздо выше плотность , чем дерево. Если свинцовый брусок объемом один кубический сантиметр поместить в сосуд с водой, то количество вытесненной воды будет равно весу свинцового бруска.

В случае древесины вес вытесненной воды невелик. Выталкивающая сила больше силы тяжести, поэтому дерево плавает. Свинец плотнее дерева. Это означает, что он содержит больше массы в том же объеме. Таким образом, свинец вытесняет больше воды, чем древесина. Сила тяжести, действующая на груз, превышает выталкивающую силу, поэтому свинец тонет.

Сравнение масс 1 см3 воздуха (0,0012 г), дерева (0,7 г), пресной воды (1 г) и свинца (11,34 г) (© 2019 с использованием данных из Википедии и изображения nclm [CC BY-SA 4.0 ] через Викисклад).

Как плавучесть и плотность относятся к кораблям?

Как этот принцип можно применить к кораблям? Корабли — это огромные стальные суда. Корабль может иметь массу в сотни тысяч тонн. Сталь намного плотнее воды, так что можно подумать, что массивные стальные корабли утонут, верно? Ну, подумай еще раз! Что помогает кораблям держаться на плаву, так это их форма и то, что находится внутри них. Корабли — это не сплошные куски стали. Вместо этого они в основном представляют собой полые стальные оболочки. Внутри корабля есть все виды компонентов. Например, внутри могут находиться двигатель корабля, топливо и груз. Но самое главное, внутри корабля есть воздух!

Полный грузовой корабль слева и пустой грузовой корабль справа. Обратите внимание, как пустой корабль стоит выше в воде (Let’s Talk Science, используя изображение Youst через iStockphoto).

Знаете ли вы?

Самый тяжелый корабль в мире — Pioneering Spirit . Он вытесняет около 900 000 метрических тонн воды. Это эквивалентно примерно 300 000 слонов!

Воздух внутри корабля гораздо менее плотный, чем вода. Вот что держит его на плаву! Средняя плотность всего объема корабля и всего, что внутри него (включая воздух), должна быть меньше такого же объема воды. Когда корабль находится в воде, он давит и вытесняет количество воды, равное его весу. Чем ближе общая плотность корабля к плотности того же объема воды, тем большее количество корабля будет находиться в воде. Если средняя плотность корабля больше плотности воды, то корабль утонет под поверхностью воды.

Океанский лайнер «Титаник » затонул 15 апреля 1912 года (изображение в общественном достоянии, сделанное Вили Штёвером через Wikimeda Commons).

Когда корабль тонет, это происходит потому, что в него попадает вода. Это вытесняет воздух, делая среднюю плотность корабля больше, чем плотность воды. Одна из самых известных катастроф — крушение RMS Titanic . Корабль столкнулся с айсбергом у южного побережья Ньюфаундленда в апреле 1912 года. Айсберг пробил несколько небольших отверстий в корпусе корабля, и вода попала в носовую часть. По мере того, как в корабль попадало больше воды, воздух вытеснялся. Это привело к тому, что корабль ушел на дно океана.

Как и любой другой корабль, который когда-либо затонул, Титаник в конечном итоге ушел на дно океана из-за (отсутствия) плавучести!

Знаете ли вы?

После столкновения с айсбергом Титаник затонул за 160 минут. Всего 2 часа 40 минут!

Как плавают круизные лайнеры?

Поиск

Вы когда-нибудь восхищались огромными размерами корабля и задавались вопросом: «Как плавают круизные лайнеры?» Ответ на этот вопрос сводится как к дизайну, так и к физике.

Заявление об отказе от ответственности

Дата изменения: 14 октября 2022 г.

Фото: Семачковский / Shutterstock

Многие люди восхищаются огромными размерами круизных лайнеров. Они втайне задаются вопросом, как что-то такое большое и тяжелое может так легко двигаться в воде или как что-то такое массивное вообще может плавать! В этом посте мы объясним, как плавают круизные лайнеры.

Ответ на этот вопрос сводится к материалам, конструкции, водоизмещению и плавучести. Итак, вкратце, сочетание дизайна и физических элементов.

В этой статье…

• Как плавают круизные лайнеры?
• Наука, стоящая за этим
• Дополнительные элементы, поддерживающие плавучесть
  • Конструкция и материалы
  • Другие элементы безопасности и двойной корпус
• Как судно остается на плаву?
  • Больше науки… Смещение центра плавучести
  • Центр тяжести
  • Сохранение осевой линии
• Заключение

Как плавают круизные лайнеры?

Круизные лайнеры были спроектированы так, чтобы быть массивными, но вытеснять такое же количество воды, которое эквивалентно их массе. Давление океана в то же время давит на корпус корабля, противодействуя нисходящей силе массы круизного лайнера. Эта нисходящая сила в сочетании с восходящей силой океана работают в тандеме, чтобы сделать круизный лайнер плавучим.

Наука, стоящая за этим

Эта концепция известна как Принцип Архимеда . Закон Архимеда учит, что когда предмет плавает, вес вытесненной воды равен весу предмета. Окружающая жидкость будет отталкиваться с силой, равной вытесненной величине. Когда две силы равны, объект будет плавать.

Другими словами, когда круизный лайнер покоится в воде, он обеспечивает пространство для своей массы, вытесняя воду наружу и вниз. Баланс противоборствующих сил — вот что заставляет его плавать.

Дополнительные функции, поддерживающие плавучесть

Водоизмещение и плавучесть — не единственные факторы, удерживающие круизные лайнеры на плаву. Есть и дополнительные факторы.

Конструкция и материал

Для достижения любого типа плавучести круизные лайнеры должны быть изготовлены из прочных и легких материалов, плотность которых выше плотности воды, например, из сверхпрочной стали. Кроме того, эти материалы должны использоваться с конструкцией, позволяющей им вытеснять вес в воде до того, как он будет погружен в воду.

Большая часть конструкции встроена в корпус. Корпус — это оболочка или корпус судна, который находится ниже главной палубы. Он отталкивает воду в сторону, когда круизный лайнер находится в движении, и позволяет ему плавать.

Фото через: Meyer Werft

За годы экспериментов инженеры обнаружили, что если они создают широкий, округлый и глубокий корпус, он лучше распределяет вес круизного лайнера по корпусу. Большой круизный лайнер будет иметь корпус в форме буквы «U». Это позволяет воде стекать с круизного лайнера, создавая плавный ход, рассеивая сопротивление и удерживая круизное судно по расписанию.

Другие средства безопасности и двойной корпус

Плавное плавание и сохранение плавучести для судна недостаточно. Конструкция корпуса должна защищать гостей от рифов, айсбергов и песчаных отмелей. Эти подводные опасности способны легко разорвать внешние слои корабля, нанести ему ущерб или потопить его.

Стоит прочитать: Сколько весит круизный лайнер?

Для защиты от этого строители используют сталь повышенной прочности. Это используется для постройки судов с двойным корпусом (один корпус расположен внутри другого) для обеспечения дополнительной защиты. У судов также есть переборки, помогающие им плавать на случай серьезного повреждения круизного лайнера.

Корпус круизного лайнера (Фото предоставлено Эндрю Придмором / Shutterstock)

Водонепроницаемая перегородка установлена ​​внутри корабля. Его можно закрыть, чтобы предотвратить попадание воды в случае повреждения корпуса. Ограничение притока воды предотвращает затопление и затопление круизных лайнеров.

Как корабль остается на плаву?

Когда круизные лайнеры проверяют пределы высоты и веса, возникает вопрос, что мешает им перевернуться. Ответ на этот вопрос лежит в конструкции корпуса. Однако, чтобы оценить это, вы должны сначала понять разницу между центром плавучести и центром тяжести корабля.

Больше науки… Смещение центра плавучести

Центр тяжести корабля (центральные точки фокусировки для гравитационного толчка вниз) изменить нельзя. Поэтому U-образный корпус круизного лайнера создан таким образом, что центр плавучести естественным образом смещается, когда судно наклоняется в стороны. Это изменение центра плавучести помогает вернуть корабль в вертикальное положение, независимо от того, насколько он велик.

Плавучесть круизного лайнера (Изображение предоставлено Фуадом А. Саадом / Shutterstock)

Центр тяжести

Если все, что находится на корабле, весит одинаково, центр тяжести должен находиться посередине. Однако двигатели, оборудование и топливо весят гораздо больше, чем пассажирские помещения, кабины или театры.

Создает эффект смещения центра тяжести вниз. Центр тяжести круизного лайнера находится в нижней половине судна.

Сохранение осевой линии

Когда судно находится в вертикальном положении, толкающая его сила может отклоняться от осевой линии, вызывая его наклон в противоположную сторону. Это известно как перекатывание, из-за которого пассажиры могут испытывать морскую болезнь . Чтобы решить эту проблему, круизные линии содержат несколько функций, ограничивающих качку корабля.

Фото: J. Helgason / Shutterstock

Включает стабилизирующие плавники, расположенные под водой, и активные балластные цистерны/систему защиты от крена. Система защиты от крена быстро перекачивает морскую воду, расположенную ниже ватерлинии, в сборные резервуары, расположенные с одной стороны на другую. Это скорректирует боковые наклоны.

Заключение

Стабилизирующие свойства круизных лайнеров очень эффективны. На самом деле, эти сосуды настолько хорошо сделаны, что гости редко испытывают или чувствуют движение из стороны в сторону. Более того, круизные лайнеры никогда не переворачиваются, несмотря на то, что они такие огромные и тяжелые.

Читайте также: Шесть типов раскачивания кораблей, о которых вы должны знать

Наблюдать, как большой круизный лайнер грациозно рассекает спокойный голубой океан, может быть весьма увлекательно. Что еще более примечательно, так это узнать, как эти современные чудеса приспособлены для того, чтобы плавать на воде. При изучении того, как плавают круизные лайнеры, ответ действительно заключается в сочетании научных принципов и дизайна.

Круизные корабли были созданы не только с учетом физики, но и с учетом того, как сделать корабль более прочным. В то время как мы узнали много лет назад, что ни один корабль не является неразрушимым (Титаник, кто-нибудь?), инженеры узнали, как лучше всего защитить пассажиров на борту. Это позволяет круизному лайнеру быть в безопасности, грациозно скользя даже по самым бурные воды без опрокидывания.