Почему железный корабль не тонет
Самые большие корабли весят сотни тысяч тонн и сделаны из стали, которая тяжелее воды почти в восемь раз. Почему они не идут ко дну? Ответ нашёл Архимед больше двух тысяч лет назад, и его можно проверить на кухне с куском фольги.
Для 5–9 классов. Тема 7 класса физики.
Закон Архимеда
Когда тело погружают в воду, оно отодвигает часть воды. Вода давит на тело со всех сторон, но снизу давление больше, чем сверху, потому что глубже. Разница давлений толкает тело вверх. Эту силу называют выталкивающей, или архимедовой.
F = ρ(воды) · g · V(погружённой части)
Проще: выталкивающая сила равна весу воды, которую вытеснило тело. Если тело вытеснило 1 литр воды, его выталкивает сила, равная весу 1 кг.
Почему корабль плавает
Тело плавает, если может вытеснить воды столько же, сколько весит само, и при этом не уйти под воду целиком. Сплошной стальной брусок вытесняет мало воды: его объём маленький, а вес большой. Корабль же внутри полый. Его корпус огромный, в нём воздух, грузы и каюты, и он вытесняет огромный объём воды.
Можно сказать по-другому: средняя плотность корабля вместе со всем воздухом внутри меньше плотности воды. Поэтому он погружается ровно настолько, чтобы вес вытесненной воды сравнялся с его весом, и дальше не тонет.
Задача
Баржа весит 600 тонн. Сколько воды она вытесняет, когда плавает? Какой это объём?
Плавающее тело вытесняет воду, равную своему весу: 600 т.
Плотность воды 1 т/м³, значит объём 600 м³.
Для морской воды плотность около 1,03 т/м³, объём будет чуть меньше: около 583 м³.
Ответ: 600 тонн воды, около 600 м³. В морской воде баржа сидит чуть выше, чем в речной.
Ватерлиния и груз
Линия, до которой корабль погружается в воду, называется ватерлинией. Чем больше груза, тем глубже сидит судно. На бортах грузовых кораблей рисуют специальную отметку, грузовую марку. Её ввели в XIX веке в Британии по настоянию политика Сэмюэла Плимсолля, потому что владельцы перегружали суда и они тонули.
На марке несколько линий: для пресной и морской воды, для лета и зимы, для тропиков и северных морей. В тёплой и пресной воде плотность меньше, и судно сидит глубже.
Почему тонут при пробоине
Если в корпусе дыра, вода заполняет пространство, где был воздух. Средняя плотность растёт, и корабль погружается. Поэтому корпуса делят переборками на отсеки: если затоплен один, остальные держат судно на плаву. «Титаник» затонул в 1912 году, потому что айсберг пробил сразу несколько отсеков, а переборки не доходили до верхней палубы, и вода переливалась дальше.
Опыт с фольгой
- Возьмите два одинаковых листа фольги.
- Один скомкайте в плотный шарик.
- Из другого сделайте лодочку с бортиками.
- Опустите оба в миску с водой: шарик утонет или едва удержится, лодочка поплывёт.
- Кладите в лодочку монетки по одной. Сколько выдержит? Сравните лодки разной формы.
Разберём на занятии
На живых занятиях преподаватель объясняет школьные темы через такие истории: так правило или формула запоминается с первого раза.
Первое занятие бесплатное: можно посмотреть формат вместе с ребёнком и решить, подходит ли он.
Частые вопросы
Почему в Мёртвом море не утонешь?
Вода там очень солёная и плотная, выталкивающая сила больше, и человек лежит на воде, как на матрасе. Подробнее в статье Почему Мёртвое море мёртвое.
А подводная лодка?
У неё есть балластные цистерны. Чтобы погрузиться, их заполняют водой, чтобы всплыть, продувают сжатым воздухом.