Почему не тонет судно: Почему корабль не тонет?

Содержание

Почему не тонут лодки и корабли?

Если вы построите деревянный плот, то сможете плыть на нем. Если же вы построите плот из железа или какого-нибудь другого металла, то он пойдет ко дну. Причина того, что деревянный плот не тонет, а железный тонет, кроется в разной плотности дерева и железа. Дерево менее плотный материал, чем вода, поэтому выталкивающая сила воды больше силы тяжести, действующей на деревянный плот (или больше его веса). Железо плотнее воды, и ее выталкивающая сила не способна преодолеть вес железного плота.

В прежние времена корабли и лодки строили в основном из дерева. Сейчас же они преимущественно сделаны из металлов. В чем же фокус? Почему корабли не тонут? Может быть внутри корабля много дерева, и оно «побеждает» железо?

Конечно, если взять большую доску и обшить ее сверху тонким листом металла, то вся конструкция не потонет. Ведь ее средняя плотность окажется меньше плотности воды. Если, например, плотность дерева равна 600 кг/м

3, и доска имеет массу 100 кг, а железная обшивка имеет плотность 7800 кг/м3 и массу 10 кг. То общая масса составит 120 кг, а общий объем 100 / 600 + 10 / 7800 ≈ 0,1667 + 0,0013 = 0,168 (м3). Отсюда находим среднюю плотность конструкции 120/0,168 ≈ 714 (кг/м3). Это меньше плотности воды (1000 кг/м3), значит, конструкция будет плавать.

Однако, на самом деле все еще проще. Зачем обшивать дерево? Можно просто оставить внутри пустую полость и сделать так, чтобы туда не попадала вода. Точнее не пустую, а заполненную воздухом. Плотность воздуха всего 1,29 кг/м3.

Именно поэтому корабли, сделанные из металлов, плавают. Внутри них существуют большие полости, заполненные воздухом. В результате этого средняя плотность корабля меньше плотности воды, и выталкивающая сила удерживает корабль на плаву.

Если в полости корабля попадет вода, то он конечно же затонет. Чтобы возможность затопления свести на минимум, в подводной части корабля строят перегородки. В результате получаются отсеки, в которых вода из одного не может попасть в другой. Если корабль получит пробоину, то затопится только отсек в месте пробоины. Остальные останутся заполненными воздухом и будут удерживать корабль на плаву.

В любом случае корабль имеет вес. Этот вес равен весу воды, объем которой корабль «занимает» собой в море.

Как известно, корабли плавают не просто так, а перевозят различные грузы и людей. Пустой корабль весит меньше, а значит меньше будет «осаживаться» в море. Если его нагрузить, то корабль осядет в воду глубже. При чрезмерной нагрузке, корабль может вообще уйти под воду и утонуть.

Поэтому на корпусе судов отмечают специальную линию (ватерлинию). Судно не должно погружаться в воду так, чтобы эта линия оказалась под водой. Иначе любая сильная волна, плеснув воду на корму, может легко затопить корабль.

С другой стороны, пустое судно не должно быть слишком легким. Иначе его подводная часть будет слишком маленькой по отношению к надводной. В таком случае волны и ветер могут опрокинуть корабль.

Корабль, загруженный по ватерлинию, вытесняет самый большой объем воды. Вес этой воды называется водоизмещением конкретного судна. Грузоподъемность судна — это разность между водоизмещением и весом пустого судна; или, проще говоря, разность между загруженным кораблем, когда он имеет осадку по ватерлинию, и весом судна без груза.

Исследовательская работа в начальной школе на тему «Почему корабли не тонут?»

Выполнили:
Дергилёв Максим,
Гузиёв Игорь
ученики 3 класса

В современных условиях роль проектной и учебной исследовательской деятельности существенно возрастает. Важно не просто передать знания школьнику, а научить его овладевать новым знанием, новыми видами деятельности. Учебное исследование поддерживает мотивационно-смысловую составляющую жизни обучающихся, которая реализуется через самостоятельный познавательный поиск. Учебное проектирование формирует способности к планированию собственной деятельности, построению жизненных планов во временной перспективе. В ходе исследования учащиеся открывают новые знания и пути их открытия, а в ходе проектирования используют эти знания как средство решения практически значимых ситуаций. Проектная работа способствует воспитанию самостоятельности, инициативности, ответственности, повышению мотивации и эффективности учебной деятельности. Таким образом, создание условий для реализации проектной и исследовательской деятельности – задача современной образовательной организации.

Это особенно актуально в процессе перехода на Федеральный государственный образовательный стандарт, отличительной особенностью которого является его деятельностный характер, ставящий главной целью развитие личности школьника. Основы проектной и исследовательской деятельности закладываются в начальной школе. От современной школы требуются особых усилия по формированию комплекса условий для организации проектной и исследовательской деятельности обучающихся (начиная с 1-го класса).

Данная исследовательская работа была проведена в рамках внеурочной деятельности “Я — исследователь”.

І. Введение

1.1. Обоснование выбора темы работы

На внеурочной деятельности нас заинтересовала тема: “Предметы на воде”. Мы знали, что лёгкие предметы на воде не тонут, а тяжёлые — тонут. Но, поразмыслив, задумались над тем, что корабли в море сделаны из стали, но они не тонут. Мы решили провести исследование и найти ответ на вопрос: “Почему корабли не тонут?”

1.2. Цели и задачи работы

Цель:выяснить причины, позволяющие кораблям не тонуть и не переворачиваться; можно ли построить дом на воде?

Задачи

1. Собрать и проанализировать информацию о плавучести тел.

2. Провести опыты, объясняющие условия, при которых тела плавают в воде.

1.3. Построение гипотез, определение методов исследования, составление плана работы

Гипотезы

Предположим,что корабль имеет особенности строения, которые позволяют ему не тонуть:

  • материал, из которого изготовлен корабль, не даёт ему тонуть;
  • корабль не тонет, потому что имеет особую форму;
  • секреты строения.

Что, еслипостроить плавучий дом.

Методы исследования:

  • “Подумай сам”.
  • “Посмотри в книгах”.
  • “Спроси у других людей”.
  • “Обратись к компьютеру, посмотри в глобальной компьютерной сети Интернет”.
  • “Понаблюдай”.
  • “Проведи опыты, эксперимент”.

План исследования

  1. Изучение литературы и анализ.
  2. Проверка гипотез экспериментальным путём.
  3. Работа с компьютером.

ІІ. Основная часть

2.1. Проверка гипотез с использованием научной литературы

Мы летом отдыхали на речке и замечали странную вещь. Когда мы пытались нырнуть и задержаться на дне, то у нас ничего не получалось. Какая –то сила выталкивала тела вверх.Что это за сила?

Мы решили обратиться к литературе.Оказывается, когда-то давно древнегреческий учёный Архимед исследовал проблему плавучести тел и сформулировал закон: на всякое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости.

Мы узнали от учителя физики, что есть тела легче воды, есть тяжелее. Одни тонут, а другие нет.

Предметы могут тонуть или не тонуть в зависимости от того, какова плотность материала, из которого сделан предмет и какова плотность жидкости.

Из энциклопедии мы узнали о том, что корабль имеет продолговатую форму, чем-то напоминающую глубокую тарелку. Палубы на корабле закрывают его как крышки.

Корабли строят так, чтобы они в воде не тонули

Когда судно идёт без груза, оно высоко сидит в воде.

Даже полностью гружёное судно не тонет. Потому что его контроль-отметка – грузовая ватерлиния – всегда находится над водой.

Корабли строят так, чтобы они в воде не тонули

Днище корабля специально делают такой формы, что когда корабль наклоняется вбок, он волей – неволей стремится опять выпрямиться.

Палубы на корабле закрывают его нутро как хорошие крышки. Поэтому вода не попадает в него, и даже в самый сильный шторм корабль не становится заметно тяжелее. Конечно, если надежно задраены палубные люки.

2.2. Проверка гипотез экспериментальным путём

Для проверки наших гипотез нами были проделаны следующие опыты.

Предположим,что корабль имеет особенности строения, которые позволяют ему не тонуть.

I. Материал, из которого изготовлен корабль, не даёт ему тонуть.

Провели опыт“Тонет, не тонет”: взяли железную ложку, деревянный брусок, пластмассовый предмет и стеклярус. Ложка и стеклярус затонули, а брусок и пластмасса нет. (Приложение 1)

Тело Вещество Тонет Не тонет
Ложка металл +
Контейнер
пластмасса
+
Брусок дерево +
Бусина стекло +

Вывод:пробковые и деревянные тела вода выталкивает, а металлические и стеклянные – нет.“Плавучесть” корабля не зависит от материала, из которого он изготовлен.

А корабль сделан из стали. И он плавает.

Гипотеза не подтвердилась!

II. Корабль не тонет, потому что имеет особую форму.

Следующий опыт, который был нами проведён “Предел плавучести”.

Опустим крышку кастрюли на воду сначала в горизонтальном положении, а потом вертикально. В горизонтальном положении крышка не тонет, а в вертикальном сразу идёт ко дну. (Приложение 1)

Вывод:плавучесть предмета зависит от его плотности. Корабль не тонет, так как имеет большой объём.

Ещё один опыт, который подтверждает особенность строения корабля: “Строение”

1. Сделаем из пластилина лодочку и пустим в воду. Лодочка держится на воде.

2. Вытащим лодочку, сомнём в комок и опустим в воду. Комок пластилина опустился на дно. (Приложение 1)

Вывод:плавучесть предмета зависит от его формы. Непотопляемость корабля зависит от его строения.

III. Определённые секреты строения корабля.

Для подтверждения этой гипотезы нами были проведены следующие опыты: 1. “Сила воды”

1. Возьмём крупный фрукт, например, гранат. Привяжем к нему тонкую резиновую нить так, чтобы гранат висел на нити. Затем взвесим его с помощью безмена.

2. Опустим гранат, подвешенный на резинке, в сосуд с водой. (Приложение 1)

Вывод: Вода выталкивает предметы. На корабль, погружённый в воду, действует выталкивающая сила.

Этот закон открыл древнегреческий учёный Архимед в ???в.до н.э. Стальной корабль не тонет, потому что он вытесняет много воды. Чем больше какой-то предмет вытесняет воды, тем сильнее она выталкивает его.

2. “Эффект рассола”

1. Наполнили стакан водой и опустили яйцо. Яйцо опустилось на дно.

1. Стали добавлять в воду соль (понемногу) до тех пор, пока яйцо полностью не всплыло. От соли плотность воды увеличилась. (Приложение 1)

Вывод: солёная вода плотнее пресной, поэтому выталкивающая сила воды больше в солёной воде.

2.3. Выводы

“Плавучесть” корабля не зависит от материала, из которого он изготовлен.

Корабли не тонут, потому что на них действует выталкивающая (подъемная) сила по закону Архимеда, направленная вверх и равная весу жидкости, вытесненной кораблем.

Корабль будет находиться на плаву до тех пор, пока его вес будет меньше или равен весу вытесненной им жидкости, что достигается, в том числе, и наличием прослойки воздуха в отсеках корабля.

Выталкивающая (подъемная) сила зависит от плотности жидкости. Следовательно, в море, где вода солёная (с большей плотностью), выталкивающая сила, действующая на корабль больше, чем в реке или озере, где вода пресная.

Корабли специально строят такой формы и такого строения, чтобы они не тонули.

Узнав всё это, мы решили, что можно построить плавучий дом.

Наши эскизы с учётом всех особенностей строения. (Приложение 2)

Заглянув в Интернет, мы нашли фотографии домов на воде (Приложение 2)

ІІІ. Заключение

Мы нашли ответ на свой вопрос “Почему корабли не тонут?”. Первая гипотеза наша не подтвердилась, вторая и третья подтвердились, но мы узнали много нового про кораблестроение, про свойства воды, про закон Архимеда.

Конечно, есть еще много того, что мы не понимаем, например, физические понятия, законы, формулы, но думаем, в старших классах мы сможем разобраться в этих вопросах подробнее.

А сейчасмы сможем рассказать своим друзьям и одноклассникам о своих открытиях.

Презентация.

ІV. Список литературы

  1. Ушаков С.З. Плавание тел [Текст] / С.З. Ушаков: детская энциклопедия, том 3 “Числа и фигуры, вещество и энергия”. – Москва: “Издательство Академии Педагогических Наук РСФСР”, 1961. – С. 279-288.
  2. Большая книга экспериментов для школьников/Под ред. Антонеллы Мейяни; Пер. с ит. Э.И.Мотылевой. – М.:ЗАО “РОСМЭН-ПРЕСС”, 2012. – с.35-66
  3. Самолёты. Автомобили. Корабли. /авт. текста Николас Харрис; ил. Питера Денниса; [пер. с англ. А. В. Банкрашкова]. – Москва: Астрель, 2013. – с.16-17

Почему не тонут лодки и корабли? — Все о подводных лодках

Если вы построите деревянный плот, то сможете плыть на нем. Если же вы построите плот из железа или какого-нибудь другого металла, то он пойдет ко дну. Причина того, что деревянный плот не тонет, а железный тонет, кроется в разной плотности дерева и железа. Дерево менее плотный материал, чем вода, поэтому выталкивающая сила воды больше силы тяжести, действующей на деревянный плот (или больше его веса). Железо плотнее воды, и ее выталкивающая сила не способна преодолеть вес железного плота.

В прежние времена корабли и лодки строили в основном из дерева. Сейчас же они преимущественно сделаны из металлов. В чем же фокус? Почему корабли не тонут? Может быть внутри корабля много дерева, и оно «побеждает» железо?

Конечно, если взять большую доску и обшить ее сверху тонким листом металла, то вся конструкция не потонет. Ведь ее средняя плотность окажется меньше плотности воды. Если, например, плотность дерева равна 600 кг/м 3. и доска имеет массу 100 кг, а железная обшивка имеет плотность 7800 кг/м 3 и массу 10 кг. То общая масса составит 120 кг, а общий объем 100 / 600 + 10 / 7800 ≈ 0,1667 + 0,0013 = 0,168 (м 3 ). Отсюда находим среднюю плотность конструкции 120/0,168 ≈ 714 (кг/м 3 ). Это меньше плотности воды (1000 кг/м 3 ), значит, конструкция будет плавать.

Однако, на самом деле все еще проще. Зачем обшивать дерево? Можно просто оставить внутри пустую полость и сделать так, чтобы туда не попадала вода. Точнее не пустую, а заполненную воздухом. Плотность воздуха всего 1,29 кг/м 3 .

Именно поэтому корабли, сделанные из металлов, плавают. Внутри них существуют большие полости, заполненные воздухом. В результате этого средняя плотность корабля меньше плотности воды, и выталкивающая сила удерживает корабль на плаву.

Если в полости корабля попадет вода, то он конечно же затонет. Чтобы возможность затопления свести на минимум, в подводной части корабля строят перегородки. В результате получаются отсеки, в которых вода из одного не может попасть в другой. Если корабль получит пробоину, то затопится только отсек в месте пробоины. Остальные останутся заполненными воздухом и будут удерживать корабль на плаву.

В любом случае корабль имеет вес. Этот вес равен весу воды, объем которой корабль «занимает» собой в море.

Как известно, корабли плавают не просто так, а перевозят различные грузы и людей. Пустой корабль весит меньше, а значит меньше будет «осаживаться» в море. Если его нагрузить, то корабль осядет в воду глубже. При чрезмерной нагрузке, корабль может вообще уйти под воду и утонуть.

Поэтому на корпусе судов отмечают специальную линию (ватерлинию ). Судно не должно погружаться в воду так, чтобы эта линия оказалась под водой. Иначе любая сильная волна, плеснув воду на корму, может легко затопить корабль.

С другой стороны, пустое судно не должно быть слишком легким. Иначе его подводная часть будет слишком маленькой по отношению к надводной. В таком случае волны и ветер могут опрокинуть корабль.

Корабль, загруженный по ватерлинию, вытесняет самый большой объем воды. Вес этой воды называется водоизмещением конкретного судна. Грузоподъемность судна — это разность между водоизмещением и весом пустого судна; или, проще говоря, разность между загруженным кораблем, когда он имеет осадку по ватерлинию, и весом судна без груза.

где подлодка

как устроена подводная лодка

к чему снится подводная лодка

Из бетона, но не тонет

Первое железобетонное судно построил французский изобретатель Жозеф Ламбо. Он придумал армобетон — прототип современного железобетона. В 1848 году Ламбо создал первую бетонную лодку и испытал ее на озере Бесс-сюр-Иссоль. А в 1855 году запатентовал свое изобретение. Бетонная лодка стала экспонатом Всемирной выставки. Суденышко хранится в музее провансальского города Бриньоль. 

Бетонная лодка Жозефа Ламбо в музее Бриньоля

Лодка Ламбо работает на принципе закона Архимеда о вытеснении жидкости. На корабль, погруженный в воду, действует выталкивающая сила. Именно благодаря этой силе противодействия на воде держатся деревянные, стальные и бетонные суда. При этом бетонные корабли из-за высокой массы более устойчивы и реже опрокидываются. Но именно вес стал одним из главных минусов таких кораблей: они тихоходны.

Триумф изобретателя Ламбо был недолгим. После Всемирной выставки о его стартапе забыли. Судостроители вернулись к созданию бетонных судов во время I Мировой войны. Участники конфликта нуждались во многочисленном грузовом флоте, а с высококачественной сталью были проблемы. Вот и стали немцы, итальянцы, французы и прочие европейцы отливать бетонные транспортники, танкеры и сухогрузы. Корабли получались дешевле стальных, бесшовные, полностью непроницаемые для агрессивной морской воды и нефтепродуктов.

Американский железобетонный нефтеналивной пароход «Пало-Альто»
(Калифорния, 1920 год)

После II Мировой войны корабелы снова вспомнили о бетонных технологиях. Причина та же — дефицит стали. В СССР бетонные сухогрузы и баржи строили на Свирской, Костромской и Шатиловской верфях. В Западной Германии построили 50 сухогрузов для Северного моря. Корпуса судов выдерживали давление северных льдов и случайные столкновения с противолодочными минами — неприятными сюрпризами минувшей войны.

Танкер «San Pasqual» (Куба)

Из бетона даже построили парусник. Это американская шхуна «Ларинда». Ее отлил житель Бостона Ларри Махан на заднем дворе дома. Прогулочный парусник спустили на воду в 1996 году. Ларри задумал построить самый большой парусник в округе, когда учился в четвертом классе. Повзрослев, Махан не оставил мечту. В 1970 году он начал строить парусную шхуну. Материалом для шхуны Ларри выбрал железобетон. Начались долгие 26 лет создания «Ларинды».

Шхуна «Larinda» Фото: Dennis Jarvis

Бостонцу помогали волонтеры. В проекте поработали около 1000 человек со всей Америки — студенты, соседи, отставные моряки, полицейские. Шхуна получилась длиной 86 футов, около 26 метров. Махан оснастил лодку красными парусами и стал катать на ней туристов. «Ларинда» посетила 19 штатов, семь зарубежных стран. Она служила послом доброй воли на Кубе и участвовала в бостонской парусной регате «Tall Ships 2000». 

28 сентября 2003 года шхуна находилась в гавани Галифакса в Морском музее Атлантики, Ларри готовил судно к отплытию в порт Луненбург в Новой Шотландии. Тогда на восточное побережье США налетел ураган Хуан. Скорость ветра была 140 километров в час. Шквал сорвал со швартовки корвет «Саквилль» и швырнул его на «Ларинду». Шхуна не выдержала тарана и затонула. Все произошло стремительно. Ларри спас лишь судовой журнал. Через две недели Махан поднял парусник со дна и снова поставил в строй. С того времени «Ларинда» работает плавучим рестораном и морским музеем.

Бетонные лодки участвуют в спортивных состязаниях. Так, летом 2017 года Международная регата бетонных каноэ «Betonkanu regatta 2017» прошла в немецком Кёльне. В ней участвовала команда из Московского государственного строительного университета. Наши ребята не победили, но в полуфинал прошли. 

Студенты Лейпцигского технического колледжа (HTWK) заняли первое место в гонке «Betonkanu regatta 2017». © IZB/Sascha Steinbach

От немцев не отстают американские коллеги. В Америке студенты с 70‑х годов XX века ежегодно проводят гонки на бетонных каноэ. Национальный чемпионат США по гонкам на бетонных лодках собирает команды из 200 американских университетов.

Американский студент готовит бетонное каноэ к соревнованиям

Бетонное кораблестроение вполне жизнеспособно. Вот и думаешь: а не взять ли и нам на вооружение бетонную технологию? Уж чего-чего, а бетона у нас хватает. Дешево и прочно, как мы любим.

Исследовательская работа «Почему корабли не тонут» | Занимательные факты (старшая группа):

Детский сад №161 открытого акционерного общества

«Российские железные дороги»

       Исследовательская работа

Почему корабли не тонут?

  1.                    
  2. Выполнил: Василенко Прохор

                                                                                                         воспитанник

                      Руководитель:

воспитатель

                       Щипцова Ольга Сергеевна

г. Барабинск

2019

Содержание

  1. Введение
  2. Актуальность

Цель, задачи

  1. Предположения /гипотезы/

Методы исследования

  1. Практическая часть

Проведение экспериментальных опытов:

Опыт 1. «Влияет ли материал, из которого сделан корабль, на его плавучесть?»

Опыт 2. «Влияет ли форма на плавучесть корабля?»

Опыт 3. «Влияет ли воздух на плавучесть корабля?»

Опыт 4. «Существует ли какая-то сила, которая удерживает судно на воде?»

  1. Заключение
  2. Используемые источники
  1. Введение

В энциклопедии «Открытия и изобретения» мама мне  прочитала, что первым средством передвижения по воде был плот, а потом большого бревна вырубили середину – получилась лодка.

  1. Актуальность

        Летом, мы всей семьёй, ездили на озеро Чаны. Я увидел большое количество лодок на берегу. И меня заинтересовал вопрос: «Бросишь в воду маленький камушек – тонет! Так, почему же лодки держатся на воде и не тонут?» Что позволяет им не только держаться на воде, но и перевозить тяжелые грузы? 

Чтобы ответить на эти вопросы, я решил провести ряд опытов.

Цель: Выяснить причины, позволяющие кораблям не тонуть и не переворачиваться.

Задачи:

  • Собрать и проанализировать информацию о причинах плавания кораблей и выявить, какая сила удерживает корабль на плаву.
  • Выяснить, почему одни тела тонут, а другие – нет.
  • Провести опыты, объясняющие, что позволяет кораблям держаться на плаву
  1. Предположения /гипотезы/: 
  • Корабль не тонет, потому что он имеет особую форму и строение
  • Влияние формы на «плавучесть» корабля
  • Влияние воздуха на «плавучесть» корабля
  • Существует какая-то сила, которая удерживает судно на воде

Методы исследования: 

  • Изучение научной литературы
  • Проведение опытов, наблюдение
  • Оценка и сравнение, проведенных опытов
  1. Практическая часть
  • Проведение экспериментальных опытов

Важное мореходное качество – плавучесть корабля, т.е. способность держаться на воде. Я выяснил, что не все тела обладают плавучестью. Не тонут в воде те тела, плотность которых меньше плотности воды. Я провел опыты, доказывающие это.

 Опыт 1. «Влияет ли материал, из которого сделан корабль, на его плавучесть?»

Поочередно погружаю в воду предметы, сделанные из пробки, металла, стекла и пластмассы. Как видно, предметы из стекла и металла утонули, а из дерева, пробки и пластмассы – нет.

Объяснение: Все окружающие нас предметы и вещества состоят из крошечных, не видимых взгляду частичек – молекул. Те тела, в которых молекулы располагаются очень близко друг к другу – обладают большей плотностью и быстрее идут ко дну. А тела, в которых молекулы расположены далеко друг от друга, обладают меньшей плотностью, поэтому остаются плавать на поверхности воды. У железа и стекла плотность больше плотности воды, и поэтому они утонули. Тела, плотность которых меньше плотности воды, свободно плавают по её поверхности. Современные корабли сделаны из металла.

Вывод: «Плавучесть» корабля не зависит от материала, из которого он изготовлен. Следовательно, первое предположение не верно. 

Опыт 2. «Влияет ли форма на плавучесть корабля?»

Беру пластилин, погружаю его в воду и вижу, что он утонул. Придаю пластилину форму корабля, погружаю его в воду и вижу, что он не утонул, а поплыл. Материал, который может утонуть плавает на поверхности!

Вывод: Корабль не тонет, потому что он имеет особую форму, второе предположение верно.

Опыт 3. «Влияет ли воздух на плавучесть корабля?»

Беру два воздушных шарика, один из которых надуваю, и погружаю в воду. Вода попала внутрь не надутого шарика, и он начал постепенно погружаться в воду. Надутый шарик не тонет, даже если надавить на него сверху рукой.

Вывод: Корабль не тонет, потому что воздух внутри него держит его на плаву, третье предположение верно.

Плавучесть корабля, его способность держаться на воде изучал знаменитый древнегреческий ученый Архимед. И я выяснил, что же именно влияет на погруженное в жидкость тело. Чтобы понять, в чем смысл известного закона Архимеда, я провел простой опыт.

Опыт 4. «Существует ли какая-то сила, которая удерживает судно на воде?»

Я опустил в емкость с водой руку. Она стала как будто легче! И вода поднялась, вытеснилась. И тут я вспомнил, когда я купался в бассейне и попытался нырнуть и задержаться на дне, то ничего не получилось. Какая-то сила меня выталкивала вверх.

Вывод: На мою руку, как и на мое тело действует какая-то сила, четвертое предположение верно.

Так, Архимед по своим наблюдениям, сформулировал закон: на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной воды.

Закон Архимеда учитывают при постройке судов: сила тяжести должна быть равна выталкивающей силе.

  1. Заключение:
  • Я нашел ответ на свой вопрос «Почему корабли не тонут».
  • Гипотезы мои подтвердились.
  • Я узнал много нового про свойства воды, про закон Архимеда, про молекулы.
  • Сейчас, я обязательно расскажу своим друзьям и знакомым о своих открытиях!

5. Используемые источники

1. Сахарнов С. В. Плывут по морям корабли / С. В. Сахарнов, К. Д. Арон // «Едем, плаваем, летаем». – Москва: «Детская литература», 1993. – С. 7-36.

2. Тугушева Г. П., Чистякова А. Е.   Экспериментальная деятельность

детей среднего и старшего дошкольного возраста: Методическое пособие. — СПб.: ДЕТСТВО-ПРЕСС, 2009. –С. 68-70.

3. Использование Интернет-ресурса.

Исследовательская работа «Почему корабли не тонут»

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.
  1. Введение

2

  1. Основная часть

  1. История развития кораблестроения

3

  1. Исследования

    1. Зависит ли плавучесть корабля от материала, из которого построено судно? Опыт 1

6

    1. Как зависит плавучесть корабля от формы его корпуса? Опыт 2

7

    1. Какие силы действуют на погруженный в воду корпус корабля? Опыт 3

8

    1. Влияние воздуха на плавучесть корабля? Опыт 4

10

III. Заключение

12

IV. Список использованных источников и литературы

13

V. Приложение. Немного о подводных лодках

14

I. ВВЕДЕНИЕ

Цель исследования: выяснить причины, позволяющие кораблям не тонуть

Задачи исследования:

  1. Узнать об истории кораблестроения.

  2. Выяснить, от каких факторов зависит плавучесть корабля.

Методы исследования:

  • Чтение литературы.

  • Поиск информации в сети Интернет.

  • Беседы со взрослыми.

  • Проведение опытов.

  • Оценка результатов проведенных опытов.

Гипотезы:

  • Корабль не тонет, потому что его корпус изготовлен из нетонущих материалов.

  • Корабль не тонет, потому что корпус корабля имеет особую форму.

  • На корпус корабля действует, определённая сила, держащая его на поверхности воды.

  • Корабль не тонет, потому что внутри его корпуса находится воздух, держащий его на плаву.

Актуальность:

Актуальность моей исследовательской работы заключается в том, что у всех детей возникает проблема, когда надо выяснить «почему», «для или из чего что-то». Все мы наблюдательны, пытливы, стремимся постичь неизвестное, раскрыть тайны мира.

Поэтому я решил рассказать и показать, как интересно и увлекательно можно ответить на возникающие вопросы.

  1. История развития кораблестроения

Рисунок 1

Вот что я узнал.

С древних времен люди передвигались по рекам, морям и океанам, используя их как пути сообщения, а также для транспортировки различных грузов.

Изначально люди передвигались по воде с помощью разных предметов, которые могут держаться на воде. Садились верхом на бревно и плыли. Потом начали выдалбливать его и заострять спереди. А три-четыре скрепленных между собой бревна – это уже был плот. Эскимосы делали лодки из кожи животных, египтяне из папируса. Двигателем служил шест, а потом вёсла. Затем люди придумали, как использовать силу ветра, и изобрели парус.

Примерно в 3000 г. до н.э. появился первый известный корабль – древнеегипетское тростниковое судно (рис.2).

Рисунок 2

Позже люди стали строить корабли из дерева (рис.3). Это позволило увеличить размеры судна и перевозить гораздо больше грузов и пассажиров.

Рисунок 3

Рисунок 4

В ХХ веке в кораблестроении начали использовать пластик (рис. 5).

Рисунок 5

Проходило время. Размеры кораблей увеличивались, и следовательно рос и их вес (рис. 6).

Рисунок 6

Вместо паровой машины, на кораблях стали устанавливать дизельные двигатели и газовые турбины. А современные флоты используют корабли с атомной двигательной установкой (рис. 7).

Рисунок 7

Так давайте теперь узнаем, почему такие огромные корабли не тонут, и проверим наши гипотезы?

2. Исследования

Возьмём предметы из различного материала: дерева, пластика, металла и пластилина (рис. 8) — и погрузим их в воду.

Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

    1. Какие силы действуют на погруженный в воду корпус корабля?

Трюмная часть корабля, при погружении в воду, вытесняет массу воды, равную ее собственной массе. Вес вытесненной воды и определяет вес судна (это называется водоизмещением корабля). Тело большого размера (объёма) вытеснит больше воды, чем маленькое тело, одинакового с ним веса. И чем больше тело вытеснит воды, тем с большей силой вытесненная вода будет пытаться ввернуться на место (рис.12).

Рисунок 13

Определить направление действия архимедовой силы поможет следующий опыт.

Рисунок 14

Шарик, всплывая, поднялся вверх и потянул за собой груз. Из этого следует, что архимедова сила направленна вверх, к поверхности воды.

Вывод. На корпус корабля, погруженный в воду, действует выталкивающая сила Архимеда, направленная верх, к поверхности воды.

Рисунок 15

Пластилин тяжелее воды и должен утонуть.

Рисунок 16

Но мы видим, что наша сфера из пластилина не тонет (рис. 16). Она не тонет, даже если надавить на неё сверху рукой. Что же удерживает её на поверхности воды?

Общая плотность пластилина, из которого сделана сфера и воздуха, находящегося внутри, меньше плотности воды, и поэтому выталкивающая сила Архимеда удерживает пластилиновую сферу на плаву. Это свойство воздуха используют в кораблестроении.

Корпус корабля при постройке разделяют на множество отдельных помещений – отсеков (рис. 17).

Рисунок 17

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя исследование по теме «Почему корабли не тонут?», я узнал много интересного об истории кораблестроения, а также о том, что помогает кораблям держаться на поверхности воды.

Следуя из результатов поставленных опытов, я знаю, что корабли не тонут, если:

  • корабль построен из нетонущего материала, плотность которого меньше, чем плотность воды.

  • корпус корабль имеет особую форму и может держаться на воде под воздействием определённых сил.

  • на корпус корабля, погруженный в воду, действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная верх, к поверхности воды.

  • корабль имеет особое строение корпуса, и воздух, находящийся внутри отсеков судна, помогает кораблю держаться на поверхности воды.

В ходе работы меня заинтересовал ещё один вопрос «А ведь есть корабли, которые могут плавать, как на поверхности морей и океанов, так и в морских глубинах?» Но это уже будет тема моего следующего эксперимента (см. Приложение).

Как много всего интересного окружает нас!

Как много нам еще предстоит узнать!

IV. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. Дитрих, Г. Юрмин, Р. Кошурникова «Почемучка» М. «Педагогика», 1991.

2. «Большая иллюстрированная энциклопедия школьника» М. «МАХАОН», 2003.

3. Л. Горев. «Занимательные опыты по физике» М. Просвещение, 1985

4. «Энциклопедический словарь юного физика» М.: Педагогика Пресс,1995

5. «Юный исследователь» М.: «РОСМЭН»,1995

6. Ресурсы сети Интернет

V. ПРИЛОЖЕНИЕ

Немного о подводных лодках

Существует такой вид кораблей, которые могут плавать, как на поверхности морей и океанов, так и в морских глубинах. Это подводные лодки, или как ещё их называют – субмарины.

Рисунок 17. ТПРКСН типа «Акула».

Раньше подводные лодки были маленькие судёнышки, водоизмещением от 100 до 600 тонн и служба на них была очень опасной из-за несовершенства техники того времени. Для надводного хода использовали бензиновый двигатель, а под водой лодка передвигалась на электромоторах, питающихся от аккумуляторов. Глубина погружения составляла несколько десятков метров.

Современные субмарины, водоизмещением в несколько тысяч тонн, могут погружаться на глубины до 1000 метров. Наряду с дизельными двигателями для надводного хода и электродвигателями для подводного, на современных подводных лодках применяю и атомные силовые установки. Самые большие подводные лодки в мире – это российские тяжёлые подводные ракетные крейсеры стратегического назначения типа «Акула», проекта 941 (рис.17). Их водоизмещение в надводном положении составляет 23 200 тонн, а подводное 48 000 тонн. А длина «Акулы» — 172,8 метра. Такая лодка может находиться в море до 100 суток.

А теперь давайте рассмотрим, как погружаются и всплывают подводные лодки.

Для того чтобы подводная лодка могла погрузиться на глубину в её корпусе открывают специальные отверстия – кингстоны (рис. 18). Через кингстоны в балластные цистерны, расположенные внутри корпуса субмарины, поступает вода, выталкивая находящийся там воздух. Подводная лодка «тяжелеет» и преодолевая силу Архимеда начинает погружение.

Когда сила тяжести субмарины и сила Архимеда сравниваются, подводная лодка зависает на определённой глубине. Изменить глубину погружения можно принимая дополнительный водный балласт, погружаясь глубже, либо избавляясь от балласта, всплывать выше.

Рисунок 18

Для всплытия подводной лодки в балластные цистерны пускают сжатый воздух, из расположенных внутри субмарины баллонов. Поступающий под большим давлением воздух, выталкивает воду из балластных цистерн, облегчая подводную лодку. И как только сила Архимеда превысит силу тяжести подводной лодки, субмарина начнет всплытие.

Служба на подводных лодках и в настоящее время является очень тяжелой, но почётной для моряков.

Почему самые современные корабли тонут в морях с 3000-летней историей судохоства | Мнения

Фото: REUTERS/Italian Guardia di Finanza

Вот и не верь после этого в магию чисел – в пятницу, 13 дня января 2012 года напоролось на скалы итальянского острова Джильо круизное судно «Costa Concordia». Судно получило 70-метровую пробоину, приняло воду и залегло на грунт на правый борт практически в нескольких десятках метрах от прибрежных скал самого острова. Катастрофу тут же окрестили «современным «Титаником» и задались вопросом: как современное судно, спущенное на воду в 2006 году, оснащенное всеми мыслимыми навигационными системами (это вам не банальный автомобильный GPS) умудрилось напороться на скалу там, где навигация существует как минимум последние 3000 лет?! В условиях прекрасной видимости, о чем свидетельствуют ночные фотографии с места событий, и при нормальных метеорологических условиях – в отсутствие сильного волнения. Вообще-то сравнение «Costa Concordia» с «Титаником» не в пользу последнего во всех отношениях. «Титаник» был спущен на воду в 1911 году и имел 269 метров при ширине 28 метров. «Конкордия» имеет длину 290 метров (длиннее на 7%) при ширине 35,5 метра, что больше уже на 25%. Но еще больше разница в водоизмещении этих судов: у «Титаника» – 52 000 тонн, а у «Конкордии» – 112 000 тонн, это больше в два с лишним раза! Водоизмещение судна – это, грубо говоря, масса вытесненной воды, согласно закону Архимеда. То есть вес самого судна. «Конкордия» настолько тяжелее «Титаника» не за счет разницы в длину и ширину, а за счет своей высоты. «Титаник» имел 8 палуб, а у «Конкордии» их 17. Во всех отношениях величественное и роскошное судно: концертный зал, бассейны, рестораны, фитнес-зоны и прочее, и прочее для 3000 туристов, которых катали по Средиземному морю. В отличие от «Титаника», который должен был большую часть из 2500 пассажиров просто перевезти из Европы в Америку.

Поэтому и скорость «Титаника» столетней давности была 25 узлов (47 км/час), тогда как «Конкордия» не может выжать и 20 (37 км/час), а на практике движется еще медленнее. Почему это важно? Потому что это объясняет стремление капитана Смита нестись на всех парах к Нью-Йорку, когда он напоролся на айсберг, и совершенно не объясняет, почему капитан «Конкордии» Франко Скеттино не обеспечил безопасного прохождения судна близ опасного скалистого берега.
Тут нужно сделать отступление. Многие люди, не связанные с морем, полагают, что чем ближе к берегу – тем безопаснее. Вообще-то самое безопасное судно – это вытащенное на берег. Так, кстати поступали по возможности мореплаватели античности. А если серьезно, то как раз берега с их скалами, отмелями и малопредсказуемыми течениями и есть самое опасное место для судов, и поэтому судоводители стараются держаться от них подальше. Почему капитан Скеттино выбрал потенциально опасный курс – в непосредственной близости от острова Джильо – покажет следствие, как и то, почему он поторопился сойти с судна в первых рядах.
Как вообще можно наехать на скалу, если она указана на картах, что находятся в распоряжении судоводителя? Прежде всего это морская карта. Неважно – на бумаге или нет – это отражение реальной географической ситуации с добавлением специальной информации. На карте указаны глубины моря, особо – мелкие места, опасные скалы и всевозможные гидрографические знаки, которые помогают выбрать правильный курс.
Но, в отличие от плана улиц, тут две главных сложности. Во-первых, нужно точно знать, где ты находишься. Хорошо, если есть маяки. Каждый маяк мигает по-своему, и судоводитель, открыв справочник-лоцию может сделать определение своего местоположения. Помогают заметные горные вершины или вулканы. Например, знаменитый вулкан Стромболи уже тысячи лет называют маяком Тирренского моря. Это прекрасный ориентир. А если берега не видно, и нужных вулканов нет под рукой?
Тогда помогает радар. Луч радара отражается от объектов: других судов и специальных отражателей, рисует контуры береговой линии. Но вот что плохо – объекты, едва выступающие над водой, тем более в условиях волнения, он не видит.
Еще есть эхолот – прибор, который посылает звуковые колебания в направлении дна и по времени получения отражения рассчитывает глубину. И тут есть нюансы: в ряде случаев сигнал пропадает, и дно становится невидимым. Выход газов, толстый слой ила, особый профиль дна. Редко, но эхолот может оказаться бесполезным. И еще – он сообщает о глубине ПОД судном, а не впереди него. Потому что если послать луч вперед под углом к дну, скорее всего, он отразится откуда попало, и пользы от отраженного сигнала не будет никакой.
Направление движения судна помогают определить гирокомпасы. Эти волчки, вращаясь со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту, обладают чудовищной инерцией, и поэтому ориентированы всегда строго на север. Ну и, наконец, существуют навигационные системы, которые рассчитывают положение судна на основе сигналов от спутников (GPS) или береговых станций (например LORAN, БРАС и т.д.).
Итак, вы можете иметь отличную вахту, включенную и исправно работающую навигационную аппаратуру но…и риф, острый как зуб акулы, которого нет на карте. Такое возможно? Вполне, если удалиться от рекомендованного фарватера. Или не следить за показанием приборов. Или… приборы тоже могут врать. И опасность компьютерных вирусов в навигационных системах уже не фантастика… тем более, в пятницу, 13-го.
Пока же остается лишь строить догадки о причинах случившегося. Мы слышим по несколько раз в год о катастрофах паромов в Бангладеш, на Филлипинах, хотя суда идут ко дну повсеместно, и не только в бурных морях. Давайте вспомним недавнюю историю. В сентябре 2000 года в Эгейском море, у берегов острова Парос затонул греческий паром Express Samina, на борту которого находилось более полутысячи человек пассажиров и членов экипажа. 60 человек погибли и 20 пропали без вести. Паром натолкнулся на скалу, выступающую над водой, на которой стоит маячок, свет которого виден на расстоянии 11 километров! Погода была отличной, но команда не заметила того, что судно ушло с курса. Почему? В тот злополучный день греческая футбольная команда «Панатинаикос» играла с немецким «Гамбургом». Моряки следили за матчем больше, чем за приборами, даже на мостике, и 115-метровое судно получило в итоге 50-метровую пробоину и затонуло в течении 45 минут.
И вот еще один вопрос, который задают морякам и конструкторам пассажиры: почему суда тонут так быстро? Почему в XXI веке достаточно нескольких минут, чтобы случилось непоправимое? Ответ простой: есть жесткие законы природы и жестокие законы бизнеса.
О природе. Масса «Конкордии» – 112 000 тонн. Представьте себе армаду из 100 тысяч автомобилей, которые едут по четырехрядной трассе. Этот «язык» растянется на 140 километров. И едет он со скоростью 40 км/час по абсолютному гололеду. Вы представляете, какая это огромная инерция? И тормозов в нормальном понимании – нет.
Толщина обшивки судна – ну, 20 мм. Это 1/1500 его ширины. Если в этом масштабе делать модель судна из фольги, в которую упаковывают шоколадки, толщиной 0,1 мм, то ширина модели «Конкордии» будет 15 сантиметров и длина – 125 сантиметров. Из тончайшей фольги. Это масштаб 1:232. Однако модель будет достаточно жесткой конструкцией и на удивление прочной за счет внутренних ребер жесткости – так называемого набора: палуб, переборок и т.д. И, тем не менее, гигантская инерция судна, наехавшего на твердое препятствие, просто рвет обшивку в клочья.
Вода, поступая в отсеки судна, является смертельным врагом электричества. Цепи просто закорачиваются. С другой стороны, именно в нижней части судна находятся машины и генераторы, которые вырабатывают ток. Почему внизу? Для устойчивости, иначе судно просто перевернется в самый слабый шторм само собой, если двигатели, генераторы и всю прочую механику поместить на верхних палубах. Поэтому, когда вода добирается до машинного отделения, электричество на судне заканчивается. Есть, правда, еще аварийное освещение от батарей, но опять же – одной капли соленой воды в цепи достаточно, чтобы было замыкание, и…
Каждое судно имеет запас плавучести. Это, говоря проще, объем помещений от ватерлинии, то есть уровня воды по бортам судна, до самого низкого отверстия. Наполним ванну и положим в нее пластиковую коробочку из-под продуктов, в которой в середине ее боковой стенки проделаем дырочку, и положим ее на воду. Вот наше судно. Теперь в него нагрузим монеток. Коробочка погрузится на некоторую глубину. Пока все хорошо. Если вы сейчас устроите маленький шторм в ванной, то часть воды будет попадать через наш импровизированный иллюминатор внутрь. И она будет погружаться все глубже. Но пока уровень воды не достиг иллюминатора, надежда на спасение есть. И вот воды стало совсем много, и она уже струйкой затопляет наше судно. SOS.
Ясно, что чем больше груза мы примем на борт нашего судна, тем меньше будет спасительное расстояние от уровня моря до открытого иллюминатора. Тем меньше будет запас плавучести судна. Но тем выгоднее будет его эксплуатация.
Можно сделать очень безопасное судно. Так проектируются спасательные катера и шлюпки. Они не тонут, даже полностью заполненные водой. Но коммерческие суда проектируют, балансируя между требованиями физики и стремлением нагрузить судно максимально большей полезной нагрузкой. И поэтому всякие случайности, типа открытых не вовремя иллюминаторов, как было на «Булгарии», а также крупных пробоин, которые сразу вскрывают несколько водонепроницаемых отсеков – все это ведет к стремительной гибели судна.
Именно поэтому судовождение было и остается сложной наукой, и никакие электронные гаджеты на обеспечат безопасного плавания на водах, если не будут соблюдаться многочисленные правила, не будет дисциплины на борту судна у команды и надлежащего информирования пассажиров. Суда надо вовремя осматривать, ремонтировать и списывать. Равно как и судоводителей, которые не проявляют качеств, достойных хорошей морской практики.
И напоследок. Плюс морских путешествий перед воздушными в том, что пассажир, вооруженный знаниями о особенностях морских чрезвычайных ситуаций, реально способен спастись сам и помочь спастись другим. Главное – всегда помнить, что вы не на суше.

Почему корабли плавают? | Давайте поговорим о науке

Вы когда-нибудь видели один из этих гигантских круизных лайнеров? Или грузовой корабль, заваленный контейнерами? Или даже авианосец, прикрытый реактивными самолетами? Как эти огромные корабли могут плавать по воде? Вода намного менее плотная, чем сталь, из которой сделаны эти корабли. Так почему же эти корабли не опускаются на дно гавани?

Сверху вниз: круизный лайнер Sun Princess , контейнеровоз Atlantic Compass и авианосец USS George Washington (Источники: Sun Princess и Atlantic Compass , фотографии Скотта Тейлора, использованы с разрешения, и USS Джордж Вашингтон U.С. Фотография военно-морского флота, сделанная помощником фотографа 3-го класса Хизер Хесс).

Что такое плавучесть?

Мы можем поблагодарить Архимеда за то, что он первым объяснил принцип, лежащий в основе этой загадки. Архимед был греческим ученым, родившимся в 287 году до нашей эры. Этот принцип известен как принцип плавучести или принцип Архимеда .

Принцип Архимеда

гласит, что сила, приложенная к объекту в жидкости , равна весу жидкости , вытесненной на (перемещенной в сторону) объектом.Эта сила называется выталкивающей силой . Выталкивающая сила толкает объект вверх. Гравитация оказывает на объект направленную вниз силу (его вес ), которая определяется массой объекта . Таким образом, если сила, действующая на объект под действием силы тяжести, меньше выталкивающей силы, объект будет плавать.

Что такое принцип Архимеда? (2017) пользователя Don’t Memorize (2:52 мин.).

Знаете ли вы?

Считается, что Архимед бежал голым по улицам с криком «Эврика!» («У меня есть!» По-гречески) после того, как он понял, что количество воды, вытесненной из его ванны, было 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 емкость с водой, количество вытесненной воды будет равно весу деревянного бруска. Но что делать, если брусок такого же размера сделан из свинца? Свинец имеет гораздо более высокую плотность , чем древесина. Если поместить кусок свинца в один кубический сантиметр в емкость с водой, количество вытесненной воды будет равно весу свинцового блока.

В случае древесины вес вытесняемой 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 на свинце превышает подъемную силу, поэтому свинец тонет.

Сравнение масс 1 см3 воздуха (0,0012 г), древесины (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 Wikimedia Commons).

Каким образом плавучесть и плотность применимы к судам?

Как можно применить этот принцип к кораблям? Корабли — это огромные стальные суда. Корабль может иметь массу в сотни тысяч тонн. Сталь намного плотнее воды, поэтому 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 внутри них. Корабли — это не твердые куски стали. Вместо этого они в основном представляют собой пустотелые стальные оболочки.Внутри корабля есть всевозможные компоненты. Например, двигатель корабля, топливо и груз могут находиться внутри. Но самое главное, внутри корабля есть воздух!

Слева — полный грузовой корабль, справа — пустой грузовой корабль. Обратите внимание, как пустой корабль сидит выше в воде (давайте поговорим о науке, используя изображение Юста с iStockphoto).

Знаете ли вы?

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

Воздух внутри корабля намного менее плотный, чем вода. Вот что держит его в плаву! Средняя плотность всего объема корабля и всего внутри него (включая воздух) должна быть меньше того же объема воды. Когда корабль погружается в воду, он толкает и вытесняет воду, равную его весу. Чем ближе общая плотность корабля к плотности того же объема воды, тем большее количество корабля будет в воде.Если средняя плотность корабля когда-либо превышает плотность воды, то корабль тонет под поверхностью воды.

Океанский лайнер Titanic затонул 15 апреля 1912 года (изображение из общественного достояния, сделанное Вили Стёвер через Wikimeda Commons).

Корабль тонет, потому что в него попадает вода. Это вытесняет воздух, в результате чего средняя плотность корабля больше, чем плотность воды. Одна из самых известных катастроф — гибель корабля RMS Titanic .Корабль столкнулся с айсбергом у южного побережья Ньюфаундленда в апреле 1912 года. Айсберг пробил несколько небольших отверстий в корпусе корабля, впустив воду в носовую часть. По мере того, как на корабль поступало все больше воды, воздух вытеснялся. Это привело к тому, что корабль погрузился на дно океана.

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

Знаете ли вы?

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

Корабли и катера | Как они плавают?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 23 мая 2021 г.

По воде нельзя ходить: ты слишком тяжелый и ты утонешь как камень. Но этот авианосец может плавать, хоть и более 300 м (1000 футов) в длину, как минимум в миллион раз тяжелее вас, и вмещает около 70 самолетов и 4000 моряки. Суда (большие океанские суда) и лодки (более мелкие) являются блестящим примером того, как науку можно использовать для решения простая проблема.Более двух третей поверхности Земли покрыто вода, так что хорошо, что наука помогает нам покорить волны. Как именно корабли делают свое дело? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Авианосец проходит 342 м (1123 фута) от носа до кормы. USS Enterprise до выхода на пенсию в 2013 году был самым длинным военным кораблем в мире. Несмотря на огромные размеры этого корабля, обратите внимание на то, как его нос (передняя часть) довольно остро заострен, поэтому он отталкивает воду, создавая меньшее сопротивление и позволяя кораблю двигаться быстрее и быстрее. более эффективно.Фото Брукса Б. Паттона любезно предоставлено ВМС США.

Что такое лодки?

Не такой уж и глупый вопрос! Корабль или лодка (с этого момента мы будем называть их все лодки) — это транспортное средство, которое может плавать и перемещаться по океану, реке или другому водному месту, либо через собственное сила или использование силы элементов (ветра, волн или Солнца). Большинство лодки частично движутся по воде и частично над водой, но некоторые (особенно суда на воздушной подушке и суда на подводных крыльях) подниматься и ускоряться над ним в то время как другие (подводные лодки и подводные аппараты, которые малы подводные лодки) целиком уходят под нее.Это звучит как вполне педантичные различия, но они оказываются очень важными — поскольку мы увидим через мгновение.

Почему лодки плавают?

Все лодки могут плавать, но плавать сложнее и сбивает с толку, чем кажется, и это лучше всего обсудить через научная концепция, называемая плавучестью, которая сила, вызывающая плавание. Любой объект либо будет плавать или утонуть в воде в зависимости от ее плотности (сколько определенный объем его весит). Если он плотнее воды, он обычно тонет; если он менее плотный, он будет плавать.Неважно, насколько большой или маленький объект: золотое кольцо утонет в воде, а кусок пластик размером с футбольное поле будет плавать. Основное правило состоит в том, что объект утонет, если он весит больше, чем точно такой же объем воды. Но это не совсем объясняет, почему авианосец (сделанный из плотного металла) может плавать, так что давайте исследуем немного дальше.

Положительная, отрицательная и нейтральная плавучесть

Плавучесть легче всего понять, думая о подводная лодка.У него есть водолазные самолеты (ласты, установленные сбоку) и балластные цистерны, которые он может заполнять водой или воздухом, чтобы заставить его подниматься или опускаться по мере необходимости. Если его резервуары полностью заполнены воздухом, он считается плавучим: резервуары весят меньше, чем равный объем воды, и заставляют субмарину плавать на поверхности. Если резервуары частично заполнены воздухом, можно сделать подводную лодку плавать на некоторой средней глубине воды, не поднимаясь и не поднимаясь. опускается. Это называется нейтральной плавучестью.Другой вариант — для полного заполнения баков водой. В этом случае подводная лодка имеет отрицательную плавучесть, что означает, что она тонет морское дно. Узнайте больше о том, как подводные лодки поднимаются и опускаются.

Фото: Подводные лодки могут подниматься на поверхность или опускаться на любую выбранную глубину, контролируя свою плавучесть. Они делают это, впуская в балластные цистерны точное количество воды или воздуха. Фото любезно предоставлено ВМС США.

Плавучесть на поверхности

Сейчас большинство лодок не работают одинаково как подводные лодки.Они не тонут, но и не плавают точно. Лодка частично плывет, а частично тонет под собственным весом и какой вес он несет; чем больше сумма этих двух веса, тем ниже он сидит в воде. Так много веса лодка может нести, не погружаясь в воду настолько, что … действительно полностью тонет! Чтобы корабли могли безопасно плыть, нам нужно знать, какой вес мы можно вставлять или накладывать их, даже не приближаясь к этой точке. Так как мы можем это выяснить?

Принцип Архимеда

Человек, первым придумавший ответ, был Греческий математик Архимед, примерно в третьем веке до нашей эры.Согласно популярной легенде, ему было поручено выяснить, действительно ли корона для короля было либо чистое золото, либо дешевая подделка, частично сделанная из смеси золото и серебро. Одна из версий этой истории гласит что он принимал ванну и заметил, как уровень воды поднялся, когда он погрузил свое тело. Он понял, что если он уронил золотую корону в ванну, она вытолкнула или «сместила» собственный объем воды за бортом, что дает ему простой способ измерения объем очень сложного объекта.Взвесив корону, он мог легко вычислить ее плотности (его масса, деленная на его объем) и сравните его с массой золото. Если плотность была ниже, чем у золота, корона явно была подделкой. Другие версии этой истории рассказывают немного иначе — и многие думают, что наверное, вся сказка все равно выдумана!

Позже он придумал знаменитый закон физики, ныне известный как принцип Архимеда: когда что-то покоится в воде или на воде, оно ощущает восходящую (плавучую) силу равняется весу воды, которую он отталкивает (или вытесняет).Если объект полностью погружен в воду, эта подъемная сила, толкая вверх, эффективно уменьшает его вес: кажется, что под водой он весит меньше, чем на суше. Вот почему что-то вроде резинового дайвинг-кирпича (один из тех кирпичей, с которыми вы тренируетесь в бассейне) кажется легче, когда вы берете его из-под воды, чем когда вы поднимаете его на поверхность и поднимаете по воздуху: под водой вы получаете помощь рука от выталкивающей силы.

Все это объясняет, почему вес корабля (и его содержимого) обычно называют его весом. смещение: если бы океан был чашей воды, заполненной до краев, водоизмещение корабля составляет вес воды, которая пролилась бы через край, когда Корабль был спущен на воду.USS Enterprise в на нашем верхнем фото водоизмещение около 75000 тонн без груза или 95000 тонн с полной загрузкой, когда он находится несколько ниже в воде. Поскольку пресная вода менее плотная, чем соленая, то же судно будет сидеть ниже в реке (или устье, где есть смесь пресноводных и соленая вода), чем в море.


Фото: Этот относительно небольшой контейнеровоз может перевозить 17 375 тонн (метрических тонн). груза. Крупнейшие контейнеровозы перевозят в десять раз больше (около 200 тысяч тонн).Фото Лауры А. Мур любезно предоставлено ВМС США и заархивировано на Wikimedia Commons.

Аптраст

Иллюстрация: Вес корабля, тянущего вниз, уравновешивается восходящей тягой — давлением воды под ним, толкающей вверх.

К сожалению, на самом деле ни один из этих не объясняет , почему авианосец плывет! Так почему это происходит? Откуда на самом деле исходит эта «волшебная» плавучая сила? Авианосец занимает огромный объем, поэтому его вес распределяется по большой площади. океан.Вода — довольно плотная жидкость, которая практически невозможно сжать. Его высокая плотность (и, следовательно, большой вес) означает, что он может оказывать большое давление: он выталкивается наружу внутрь. во всех направлениях (то, что вы можете легко почувствовать при плавании под водой, особенно при подводном плавании с аквалангом). Когда авианосец находится на воде, частично погруженный в воду, давление воды уравновешивается во всех направлениях, кроме вверх; другими словами, существует чистая сила (называемая аптрастом) поддерживая лодку снизу. Лодка тонет в воде под своим весом и подталкивается восходящим толчком.Насколько низко он опускается? Чем больше он весит (включая вес, который он несет), тем ниже он опускается:

  • Если лодка весит меньше, чем максимальный объем воды, который она может когда-либо оттолкнуть (сместить), она плавает. Но он тонет в воде до тех пор, пока его вес и подъем не уравновешиваются.
  • Чем больше нагрузки вы добавляете к лодке, тем больше она весит и тем дальше ей придется тонуть, чтобы подъемный рывок уравновесил ее вес. Почему? Поскольку давление воды увеличивается с глубиной: чем дальше в воду погружается лодка, фактически не погружаясь, тем больше создается подъемный подъем.
  • Если лодка продолжает тонуть до тех пор, пока не исчезнет, ​​это означает, что она не может произвести достаточного подъема тяги. Другими словами, если лодка весит больше, чем общий объем воды, который она может оттолкнуть (смещается), она тонет.

Upthrust — все просто

Чтобы отчетливо представить себе аптраст, подумайте о том, что происходит, когда вы загружаете корабль.

  1. Корабль без груза на некоторое время тонет в воде. Количество вытесняемой им воды (заштрихованная область) весит столько же, сколько и корабль.Вес корабля, тянущего вниз (красная стрелка) и толкающего вверх (синяя стрелка), равны и противоположны, поэтому корабль плывет.
  2. А что, если мы начнем загружать корабль? Он опускается дальше, вытесняя больше воды (большая заштрихованная область). Вес корабля и его тяга вниз (красная стрелка) и тяга вверх (синяя стрелка) по-прежнему равны, но теперь оба они больше.
  3. Предположим, мы загружаем корабль немного больше, так что он просто тонет под поверхностью, но продолжает плавать.Опять же, тяга вниз и тяга вверх равны, хотя оба они больше. Но в этот критический момент корабль вытесняет столько воды, сколько может, поэтому подъем не может быть больше.
  4. В любом случае корабль нам не очень понравился, поэтому давайте добавим свинцовый груз сверху (груз, достаточно плотный, чтобы утонуть сам по себе). Независимо от того, какой вес мы добавляем, корабль не может производить больше восходящего тягового усилия: как только он полностью погружается, на какую бы глубину он ни опускался, он может вытеснить только определенное количество воды и создать определенное количество восходящей тяги.Теперь вес корабля превышает максимально возможный подъем, поэтому он опускается на дно. Предположим, мы прикрепили гигантские весы к верхней части корабля. Кажущийся вес корабля вместе с его грузом будет намного меньше ожидаемого на величину, равную весу вытесненной воды (размеру восходящего надвига). Другими словами, если бы мы хотели поднять корабль на поверхность с морского дна, нам нужно было бы использовать подъемную силу, равную разнице между весом и подъемом (красная стрелка минус синяя стрелка).

Как мы узнаем, что подъем на что-то равен весу вытесняемой им жидкости?

Если вы можете немного посчитать, это очень легко доказать! Нам нужно знать два основных момента физики сделать это. Во-первых, это давление определяется как сила на единицу площади (сила, деленная на площадь), поэтому сила на данной поверхности коробки равна давлению, умноженному на площадь этого поверхность. Во-вторых, давление (P) на заданной глубине (h) в жидкости равно глубине, умноженной на плотность (ρ), умноженную на g (ускорение свободного падения).Или P = h × ρ × g.

А теперь взгляните на этот затопленный ящик. Насколько велик аптраст? Давление воды в верхней части коробки составляет h2 × ρ × g, а давление внизу — h3 × ρ × g. Разница в давлении составляет (h3 − h2) × ρ × g = h × ρ × g.

Поскольку площадь коробки одинакова повсюду, разница в силе — это просто разница в давлении, умноженная на площадь коробки: h × ρ × g × (w × l)

Но поскольку (h × w × l) — это объем коробки, а ρ — ее плотность (или ее масса на единицу объема), это то же самое, что сказать, что разница в силе равна m × g, где m — это масса ящика.m × g — это еще один способ записать вес коробки.

Таким образом, мы очень быстро доказали, что тяга вверх равна весу жидкости, которую вытесняет ящик. Другими словами, чем больше текучести смещает ящик (чем больше он), тем больше аптраст. Вот почему лодки большего размера — более широкие, чтобы занимать больше места — могут перевозить больше вещей.

Средняя плотность

Если вы все еще находите идею аптраста немного запутанной, просто вернитесь к мысли о плотности.Представьте себе, что авианосец представлял собой гигантский металлический ящик такого же объема (как большая коробка из-под обуви), частично заполненный двигателями, самолетами, моряками и всем остальным — так что он весит столько же. Этот ящик плавал бы, если бы он весил меньше, чем ящик того же размера, наполненный водой; иначе он утонет. Короче говоря, авианосец плавает, потому что он весит меньше того же объема воды — потому что его средняя плотность меньше, чем у окружающей его воды.

Фото: Самый простой способ понять, почему вещи плавают, — это забыть об Архимеде и вместо этого подумать о плотности.Корабль плывет, потому что его средняя плотность относительно невелика. Этот пустой военно-транспортный корабль представляет собой гигантский пустой металлический ящик. Разделите его общую массу (его собственную массу плюс массу содержимого) на его объем, и вы получите его среднюю плотность. Это меньше плотности твердого металлического ящика или металлического ящика, наполненного водой, и поэтому корабль плывет. Фото Гэри Кина любезно предоставлено ВМС США.

Почему лодки не опрокидываются?

Если вы когда-нибудь забирались на весельную лодку, привязанную к пристань, вы почувствуете, насколько нестабильными могут быть маленькие лодки когда вы начинаете их загружать.Когда вы стоите в лодке, вы эффективно стать его частью, поэтому вы измените его центр тяжести, мгновенно подняв его намного выше. Поскольку ты войти в лодку сбоку, как только вы ступите на борт, вы переключаетесь центр тяжести к месту, где вы стоите. Теперь центр тяжести больше не находится над центром лодки, и это заставляет все вращаться к вам. Лодка относительно свободно может качаться из стороны в сторону; потому что он имеет положительную плавучесть, требуется лишь небольшой заставить его двигаться в воде.Все эти вещи вместе создают небольшую лодку относительно легко опрокинуть (повернуть на бок и часто тонет). Садясь в маленькую лодку, вы понижаете центр тяжести и делаете он более стабильный.

Фото: Маленькие лодки могут быть довольно неустойчивыми, даже с килем. Сильный ветер мог опрокинуть лодку, поэтому весь экипаж сидит на краю, чтобы уравновесить поворот сила собственным весом. Фото Чада Рунге любезно предоставлено ВМС США.

Лодки большего размера не страдают этой проблемой.Во-первых, они, как правило, имеют двигатели из тяжелого металла, расположенные очень низко под уровень воды, что придает им низкий центр тяжести и делает их более устойчивыми. Во-вторых, у них есть больший киль (вертикальная доска, идущая под водой сзади вперед по центральный «хребет» под лодкой. Киль помогает остановиться катание (движение из стороны в сторону) или опрокидывание лодки, потому что это означает, что требуется больше силы, чтобы толкнуть лодку вбок через воду или поверните его. Киль также играет роль в рулевого управления и движения лодки, как мы вскоре увидим.

Как движутся лодки?

Гравитация — это сила, с которой нам приходится работать, когда мы идем по суше. Но если ты хороший пловец, вы будете знать, что это не проблема, когда вы двигаетесь по воде, потому что ваше тело относительно плавучее: хотя ваше тело состоит в основном из воды, это не только вода (он весит меньше мешка воды точно такого же размера). Водонепроницаемость (сопротивление), безусловно, самая большая сила, с которой пловцы должны работать, и то же самое и с лодками. Чем больше весит лодка, тем ниже ее вес. он сидит в воде и тем большую водонепроницаемость он создает.Вот почему у лодок острые узкие дуги (чтобы вода не мешала чистоте) и изогнутые передние края этой плоскости (поднимите их вода по мере их движения). Подводные крылья доводят эту идею до предела, используя подводные крылья, которые поднимают корпус и освобождают его от воды во время движения.


Фото: Судно на подводных крыльях — это тип лодки, в которой используются подводные крылья для создания подъемной силы при движении вперед, поднимая корпус над волнами для уменьшения сопротивления воды. Фото Марка С. Кеттенхофена любезно предоставлено ВМС США.

Как и большинство других объектов, лодки движутся используя три закона движения Ньютона: 1) они никуда не денутся если какая-то сила не толкает или не тянет их; 2) Когда есть подходящей силы, это заставляет их ускоряться (двигаться быстрее или в новом направление), а большая сила их еще больше разгонит; 3) Если лодка хочет идти вперед, он должен толкать назад сила — так же, как вам нужно откинуться назад на скейтборде, чтобы выстрелить по тротуару (или оттолкнитесь ногами, чтобы идти вперед).

Большинство лодок используют один из трех различных видов мощности: весла или шесты, паруса и двигатели.

Весла и шесты

Фото: Человеческая сила остается надежным способом привести лодку в движение, но если у вас не будет равного количества весел с обеих сторон (или если вы не будете постоянно менять их местами), вы будете двигаться в одну сторону чаще, чем в другую. Фото Клэя Вайса любезно предоставлено ВМС США.

Самая старая форма движения лодки — простая человеческая. мощность. Вы можете грести на лодке, потянув воду назад большим весла, или вы можете толкнуть что-то вроде плота вперед, оттолкнувшись против реки или морского дна.Весла достигли своей вершины с удивительные галеры возникли в греческие и римские времена. Биремы (возможно, датируется вторым тысячелетием до нашей эры) имел две платформы, заполненные гребцов, в то время как триеры (изобретенные за несколько сотен лет до нашей эры) имели три, quadriremes было четыре, а quinquiremes пять (хотя будут ли лодки с таким количеством людей на такой высоте были либо стабильными, либо эффективными). Во всяком случае, вскоре дали способ парусной власти.

Паруса

Если вы развешиваете простыни для сушки в сильном ветер, вы точно знаете, как работают парусные лодки! Но лодки не всегда хочется уплыть, и ветер дует прямо за ними.На практике это означает, что паруса нужно располагать под углом, но ветер тогда попытается поднять лодку под этим углом, а не направление, в котором вы хотите идти. Сила ветра толкает вас в одну сторону, поэтому вам нужны и другие силы, в других направлениях, чтобы исправить это и создать результирующую (комбинированную) силу в направление, в котором вы действительно хотите идти. Две другие силы помогают. Один — это сила от киля. Если ветер развевает лодку частично вбок, киль отталкивается от воды и помогает лодке прямое направление.Вы также можете наклонить руль в задней части лодка так, что когда вода попадает в нее, она отстреливается под углом, рулевое управление лодка в ту или иную сторону. (Раньше рули располагались на справа от лодки и называется рулевым бортом, поэтому сторона лодки, обращенная вперед, по-прежнему называется правым бортом и по сей день; левая сторона называется портом.)

Фото: У яхт несколько парусов, поэтому они могут ловить ветер с любого направления. Фото Эрика Брауна любезно предоставлено ВМС США.

Если вы хотите плыть по ветру, вам нужно использовать треугольный или латинский парус висит в передней части лодки на угол встречного ветра. Когда ветер ударяет по парусу, он дует вокруг него и ускоряется; парус действует аналогично аэродинамический профиль (изогнутая поверхность крыла самолета), разбрасывающий воздух и толкает лодку вперед (точно так же, как нисходящий воздух от крыла продвигает самолет вверх).

Двигатели

Старые моряки погибли без ветра, но сейчас это не проблема, благодаря двигателям, которые могут быть используется для питания гребных винтов.Первые моторные лодки использовали паровые машины высокого давления, работающие на угле; современные двигатели неизменно дизельный. Единственная реальная проблема с использованием внутреннего сгорания двигателей для моторных лодок в том, что они нуждаются в постоянной подаче кислорода сжечь топливо; это означает, что вы не можете использовать их для питания подводных лодок под водой. Однако есть обходной путь: вы можете использовать дизельное топливо. двигатель у поверхности, чтобы приводить в действие генератор и заряжать батареи, которые затем используются для привода электродвигателя и гребного винта, когда подводная лодка находится под водой.(Ядерная энергия — еще один вариант и означает подводная лодка может находиться под водой неделями или месяцами.)

Не все моторные лодки используют гребные винты. Гидроциклы и водные крылья (большие версии гидроциклов на подводных крыльях) используют двигателей для привода рабочих колес (водяных насосов), создающих мощную обратная струя воды. Сила воды, стреляющей в ответ в воду движет лодку вперед, как горячий выхлопной газ от реактивного двигателя.

Из каких материалов сделаны лодки?

Практически каждый материал, о котором вы только можете подумать, имеет в то или иное время использовались для изготовления лодок.Первые лодки были из кожи, коры и дерева животных; позже появились землянки, сделанные черпать древесину из тщательно подобранного ствола дерева. В древности раз, судостроители усовершенствовали искусство постройки лодок с отдельные доски, либо прикрепив края одной доски к краям окружающих, как кирпичи в стене (что, как известно как резьба по дереву) или, что еще лучше, перекрытие досок снизу вверх (техника, известная как клинкерный строительный), который делает лодку более прочной, легкой и быстрой.Промышленная революция принесла еще одно замечательное нововведение: эпоха могучих железных и стальных кораблей. Большинство современных кораблей по-прежнему Сегодня он построен из стали, хотя он относительно тяжелый. Вот почему некоторые более крупные лодки теперь изготавливаются из прочных и легких металлов, таких как как алюминий, в то время как меньшие часто делаются из легких композиты, такие как стекловолокно или сверхпрочные пластмассы, такие как Kevlar®.

Иллюстрации: Лодки, построенные из клинкера (слева), имеют перекрывающиеся доски, что дает гораздо более прочный корпус; На лодках с резьбой (справа) доски соединены встык, образуя гладкую внешнюю поверхность.

Краткая история кораблей и катеров

Ссылки на этой временной шкале обычно ведут к дополнительной информации в Википедии и на других сайтах.

Предыстория и древние времена

  • ~ 10 000 до н.э .: Первые лодки включают плоты, шкуры, лодки из кожи и коры, каяки и землянки.
  • ~ 5000–3000 гг. До н. Э .: Месопотамские моряки изобретают паруса.
  • ~ 3000 г. до н.э .: Древние египтяне сделали первые лодки из деревянных досок.
  • ~ 2500 г. до н. Э .: минойцы и Микенцы стали первыми великими мореплавателями, исследующими Средиземное море.
  • ~ 1500–27 гг. До н. Э .: Греки строят гигантские военные корабли, в том числе биремы и триеры.
  • , 27 г. до н.э. – 400 г. до н. Э .: Римляне строят галеры, древние предки современных военных кораблей, с инновациями, включая поднятую мост.
  • ~ 300 г. до н. Э .: Архимед (287–212 г. до н. Э.) Разгадывает науку о плавании.
  • 200 г. н.э .: латинские паруса широко используются в Средиземном море (хотя считается, что они были изобретены несколько раньше в арабском мире).

Средние века

Великий возраст судоходства

Фото: Военный корабль США «Конституция», получивший прозвище «Старый Айронсайд», представляет собой классический трехмачтовый фрегат (военный корабль), построенный в 1797 году.Давным-давно ушел с военной службы, теперь это интересный музей в Бостоне. Фото Кэтрин Э. Макдональд любезно предоставлено ВМС США.

  • 1777: Построена первая лодка с железным корпусом (в Англии).
  • 1783: маркиз д’Аббанс (1751–1832) строит первый пароход.
  • XIX век: Налажены регулярные перевозки пакетов по расписанию. Быстрые клиперы устанавливать морские рекорды.
  • 1807: Роберт Фултон (1765–1815) устанавливает рекорд путешествия из Нью-Йорка в Олбани на пароходе под названием Клермон.
  • 1819: Пароход SS «Саванна» пересекает Атлантику за рекордные 29 дней.
  • 1836: Изобретены современные гребные винты (независимо) Фрэнсис Петтит Смит (1808–1874) и Джон Эрикссон (1803–1889).
  • 1837: Грейт Вестерн, гигантский паровой двигатель Корабль, построенный Isambard Kingdom Brunel (1806–1859), становится первой железной лодкой, пересекшей Атлантику.
  • 1850-е годы: английский кораблестроитель Джон Джордан делает, вероятно, первый композитный корабль, добавляя обшивку из деревянных досок. над железным каркасом.
  • 1870-1898: Джон Холланд проектирует и строит первую практичную подводную лодку с двигателем, но пытается убедить США Военно-морской флот о своем потенциале.
  • 1877: Английский изобретатель Джон Торникрофт патентует раннюю форму корабля на воздушной подушке, основанную на плавающей лилии.
  • 1884: Сэр Чарльз Парсонс изобретает высокоэффективный паровой двигатель, называемый паровой турбиной. В 1897 году он развивает запуск двигателя с паровой турбиной под названием Turbinia.
  • 1886: Немецкий пионер автомобилестроения Готлиб Даймлер использует бензиновый двигатель для привода лодки.
  • 1886: Gluckauf, один из первых океанских танкеров, построен и спущен на воду в Великобритании.
  • 1880: Шведский морской офицер в отставке Чарльз Г. Лундборг изобретает SWATH (малый гидросамолет с двумя корпусами) лодки, которые плывут высоко над волнами на два подводных корпуса.

Современные корабли

  • ~ 1900-е годы: богатые люди наслаждаются романтикой, роскошный век океанских путешествий на борту лайнеров, таких как Мавритания, Лузитания и Аквитания.
  • 1906: Энрико Форланини изобретает судно на подводных крыльях.Пионер в области телефонной связи Александр Грэм Белл также принял участие в его развитии.
  • 1912: «практически непотопляемый» роскошный лайнер. под названием «Титаник» занял место в истории как самая известная океанская катастрофа всех времен, когда он ударяется об айсберг и тонет, убито более 1500 человек.
  • 1930-е годы: немцы разрабатывают шноркель, дыхательную трубку, которая позволяет использовать дизельные двигатели на подводных лодках. работать под водой, снижая риск обнаружения.
  • 1943: Впервые используются судовые газотурбинные двигатели.
  • 1955: ВМС США запускают первый ядерный двигатель. подводная лодка, USS Nautilus.
  • 1956: Первый контейнеровоз Ideal X запущен из Ньюарка, штат Нью-Джерси.
  • 1959: Судно на воздушной подушке Кристофера Кокерелла совершает свой первый рейс.
  • 1960: Жак Пикар и лейтенант Дон Уолш из ВМС США нырнули на глубину примерно 11 км (6 миль) в самую глубокую часть океаны, Марианская впадина, в Триесте, сверхпрочное водолазное судно (батискаф).
  • 1962: Корабль FLIP Института Скриппса впервые используется для изучать движение океанских волн.
  • 1964: Глубоководный научный подводный аппарат под названием Элвин разработан Океанографическим институтом Вудс-Хоул в Массачусетс и начинает исследовать океан до глубины почти 5 км. (3 мили).
  • 1978: Научно-исследовательское судно JOIDES. Запущено разрешение, позволяющее ученым исследовать морское дно более подробно, чем когда-либо прежде.
  • 1992: ВМС США утилизируют последнего своего гиганта линкоры, военный корабль США Миссури.
  • 1993: ВМС США запускают экспериментальную невидимую радиолокационную станцию ​​стелс. лодка под названием Sea Shadow, основанная на дизайне SWATH.В 2011 году ВМФ объявляет о намерении списать судно.
  • 2012: Построенный в Германии MS Tûranor PlanetSolar становится первым транспортным средством с фотоэлектрические солнечные элементы, чтобы совершить кругосветное путешествие.
  • 2014: Норлед MF Ampere, первый в мире полностью электрический автомобильный и пассажирский паром с батарейным питанием начинает курсировать в Норвегии, и экономия одного миллиона литров дизельного топлива в год.

Корабли и катера | Как они плавают?

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 23 мая 2021 г.

По воде нельзя ходить: ты слишком тяжелый и ты утонешь как камень. Но этот авианосец может плавать, хоть и более 300 м (1000 футов) в длину, как минимум в миллион раз тяжелее вас, и вмещает около 70 самолетов и 4000 моряки. Суда (большие океанские суда) и лодки (более мелкие) являются блестящим примером того, как науку можно использовать для решения простая проблема. Более двух третей поверхности Земли покрыто вода, так что хорошо, что наука помогает нам покорить волны.Как именно корабли делают свое дело? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Авианосец проходит 342 м (1123 фута) от носа до кормы. USS Enterprise до выхода на пенсию в 2013 году был самым длинным военным кораблем в мире. Несмотря на огромные размеры этого корабля, обратите внимание на то, как его нос (передняя часть) довольно остро заострен, поэтому он отталкивает воду, создавая меньшее сопротивление и позволяя кораблю двигаться быстрее и быстрее. более эффективно. Фото Брукса Б. Паттона любезно предоставлено ВМС США.

Что такое лодки?

Не такой уж и глупый вопрос! Корабль или лодка (с этого момента мы будем называть их все лодки) — это транспортное средство, которое может плавать и перемещаться по океану, реке или другому водному месту, либо через собственное сила или использование силы элементов (ветра, волн или Солнца).Большинство лодки частично движутся по воде и частично над водой, но некоторые (особенно суда на воздушной подушке и суда на подводных крыльях) подниматься и ускоряться над ним в то время как другие (подводные лодки и подводные аппараты, которые малы подводные лодки) целиком уходят под нее. Это звучит как вполне педантичные различия, но они оказываются очень важными — поскольку мы увидим через мгновение.

Почему лодки плавают?

Все лодки могут плавать, но плавать сложнее и сбивает с толку, чем кажется, и это лучше всего обсудить через научная концепция, называемая плавучестью, которая сила, вызывающая плавание.Любой объект либо будет плавать или утонуть в воде в зависимости от ее плотности (сколько определенный объем его весит). Если он плотнее воды, он обычно тонет; если он менее плотный, он будет плавать. Неважно, насколько большой или маленький объект: золотое кольцо утонет в воде, а кусок пластик размером с футбольное поле будет плавать. Основное правило состоит в том, что объект утонет, если он весит больше, чем точно такой же объем воды. Но это не совсем объясняет, почему авианосец (сделанный из плотного металла) может плавать, так что давайте исследуем немного дальше.

Положительная, отрицательная и нейтральная плавучесть

Плавучесть легче всего понять, думая о подводная лодка. У него есть водолазные самолеты (ласты, установленные сбоку) и балластные цистерны, которые он может заполнять водой или воздухом, чтобы заставить его подниматься или опускаться по мере необходимости. Если его резервуары полностью заполнены воздухом, он считается плавучим: резервуары весят меньше, чем равный объем воды, и заставляют субмарину плавать на поверхности. Если резервуары частично заполнены воздухом, можно сделать подводную лодку плавать на некоторой средней глубине воды, не поднимаясь и не поднимаясь. опускается.Это называется нейтральной плавучестью. Другой вариант — для полного заполнения баков водой. В этом случае подводная лодка имеет отрицательную плавучесть, что означает, что она тонет морское дно. Узнайте больше о том, как подводные лодки поднимаются и опускаются.

Фото: Подводные лодки могут подниматься на поверхность или опускаться на любую выбранную глубину, контролируя свою плавучесть. Они делают это, впуская в балластные цистерны точное количество воды или воздуха. Фото любезно предоставлено ВМС США.

Плавучесть на поверхности

Сейчас большинство лодок не работают одинаково как подводные лодки.Они не тонут, но и не плавают точно. Лодка частично плывет, а частично тонет под собственным весом и какой вес он несет; чем больше сумма этих двух веса, тем ниже он сидит в воде. Так много веса лодка может нести, не погружаясь в воду настолько, что … действительно полностью тонет! Чтобы корабли могли безопасно плыть, нам нужно знать, какой вес мы можно вставлять или накладывать их, даже не приближаясь к этой точке. Так как мы можем это выяснить?

Принцип Архимеда

Человек, первым придумавший ответ, был Греческий математик Архимед, примерно в третьем веке до нашей эры.Согласно популярной легенде, ему было поручено выяснить, действительно ли корона для короля было либо чистое золото, либо дешевая подделка, частично сделанная из смеси золото и серебро. Одна из версий этой истории гласит что он принимал ванну и заметил, как уровень воды поднялся, когда он погрузил свое тело. Он понял, что если он уронил золотую корону в ванну, она вытолкнула или «сместила» собственный объем воды за бортом, что дает ему простой способ измерения объем очень сложного объекта.Взвесив корону, он мог легко вычислить ее плотности (его масса, деленная на его объем) и сравните его с массой золото. Если плотность была ниже, чем у золота, корона явно была подделкой. Другие версии этой истории рассказывают немного иначе — и многие думают, что наверное, вся сказка все равно выдумана!

Позже он придумал знаменитый закон физики, ныне известный как принцип Архимеда: когда что-то покоится в воде или на воде, оно ощущает восходящую (плавучую) силу равняется весу воды, которую он отталкивает (или вытесняет).Если объект полностью погружен в воду, эта подъемная сила, толкая вверх, эффективно уменьшает его вес: кажется, что под водой он весит меньше, чем на суше. Вот почему что-то вроде резинового дайвинг-кирпича (один из тех кирпичей, с которыми вы тренируетесь в бассейне) кажется легче, когда вы берете его из-под воды, чем когда вы поднимаете его на поверхность и поднимаете по воздуху: под водой вы получаете помощь рука от выталкивающей силы.

Все это объясняет, почему вес корабля (и его содержимого) обычно называют его весом. смещение: если бы океан был чашей воды, заполненной до краев, водоизмещение корабля составляет вес воды, которая пролилась бы через край, когда Корабль был спущен на воду.USS Enterprise в на нашем верхнем фото водоизмещение около 75000 тонн без груза или 95000 тонн с полной загрузкой, когда он находится несколько ниже в воде. Поскольку пресная вода менее плотная, чем соленая, то же судно будет сидеть ниже в реке (или устье, где есть смесь пресноводных и соленая вода), чем в море.


Фото: Этот относительно небольшой контейнеровоз может перевозить 17 375 тонн (метрических тонн). груза. Крупнейшие контейнеровозы перевозят в десять раз больше (около 200 тысяч тонн).Фото Лауры А. Мур любезно предоставлено ВМС США и заархивировано на Wikimedia Commons.

Аптраст

Иллюстрация: Вес корабля, тянущего вниз, уравновешивается восходящей тягой — давлением воды под ним, толкающей вверх.

К сожалению, на самом деле ни один из этих не объясняет , почему авианосец плывет! Так почему это происходит? Откуда на самом деле исходит эта «волшебная» плавучая сила? Авианосец занимает огромный объем, поэтому его вес распределяется по большой площади. океан.Вода — довольно плотная жидкость, которая практически невозможно сжать. Его высокая плотность (и, следовательно, большой вес) означает, что он может оказывать большое давление: он выталкивается наружу внутрь. во всех направлениях (то, что вы можете легко почувствовать при плавании под водой, особенно при подводном плавании с аквалангом). Когда авианосец находится на воде, частично погруженный в воду, давление воды уравновешивается во всех направлениях, кроме вверх; другими словами, существует чистая сила (называемая аптрастом) поддерживая лодку снизу. Лодка тонет в воде под своим весом и подталкивается восходящим толчком.Насколько низко он опускается? Чем больше он весит (включая вес, который он несет), тем ниже он опускается:

  • Если лодка весит меньше, чем максимальный объем воды, который она может когда-либо оттолкнуть (сместить), она плавает. Но он тонет в воде до тех пор, пока его вес и подъем не уравновешиваются.
  • Чем больше нагрузки вы добавляете к лодке, тем больше она весит и тем дальше ей придется тонуть, чтобы подъемный рывок уравновесил ее вес. Почему? Поскольку давление воды увеличивается с глубиной: чем дальше в воду погружается лодка, фактически не погружаясь, тем больше создается подъемный подъем.
  • Если лодка продолжает тонуть до тех пор, пока не исчезнет, ​​это означает, что она не может произвести достаточного подъема тяги. Другими словами, если лодка весит больше, чем общий объем воды, который она может оттолкнуть (смещается), она тонет.

Upthrust — все просто

Чтобы отчетливо представить себе аптраст, подумайте о том, что происходит, когда вы загружаете корабль.

  1. Корабль без груза на некоторое время тонет в воде. Количество вытесняемой им воды (заштрихованная область) весит столько же, сколько и корабль.Вес корабля, тянущего вниз (красная стрелка) и толкающего вверх (синяя стрелка), равны и противоположны, поэтому корабль плывет.
  2. А что, если мы начнем загружать корабль? Он опускается дальше, вытесняя больше воды (большая заштрихованная область). Вес корабля и его тяга вниз (красная стрелка) и тяга вверх (синяя стрелка) по-прежнему равны, но теперь оба они больше.
  3. Предположим, мы загружаем корабль немного больше, так что он просто тонет под поверхностью, но продолжает плавать.Опять же, тяга вниз и тяга вверх равны, хотя оба они больше. Но в этот критический момент корабль вытесняет столько воды, сколько может, поэтому подъем не может быть больше.
  4. В любом случае корабль нам не очень понравился, поэтому давайте добавим свинцовый груз сверху (груз, достаточно плотный, чтобы утонуть сам по себе). Независимо от того, какой вес мы добавляем, корабль не может производить больше восходящего тягового усилия: как только он полностью погружается, на какую бы глубину он ни опускался, он может вытеснить только определенное количество воды и создать определенное количество восходящей тяги.Теперь вес корабля превышает максимально возможный подъем, поэтому он опускается на дно. Предположим, мы прикрепили гигантские весы к верхней части корабля. Кажущийся вес корабля вместе с его грузом будет намного меньше ожидаемого на величину, равную весу вытесненной воды (размеру восходящего надвига). Другими словами, если бы мы хотели поднять корабль на поверхность с морского дна, нам нужно было бы использовать подъемную силу, равную разнице между весом и подъемом (красная стрелка минус синяя стрелка).

Как мы узнаем, что подъем на что-то равен весу вытесняемой им жидкости?

Если вы можете немного посчитать, это очень легко доказать! Нам нужно знать два основных момента физики сделать это. Во-первых, это давление определяется как сила на единицу площади (сила, деленная на площадь), поэтому сила на данной поверхности коробки равна давлению, умноженному на площадь этого поверхность. Во-вторых, давление (P) на заданной глубине (h) в жидкости равно глубине, умноженной на плотность (ρ), умноженную на g (ускорение свободного падения).Или P = h × ρ × g.

А теперь взгляните на этот затопленный ящик. Насколько велик аптраст? Давление воды в верхней части коробки составляет h2 × ρ × g, а давление внизу — h3 × ρ × g. Разница в давлении составляет (h3 − h2) × ρ × g = h × ρ × g.

Поскольку площадь коробки одинакова повсюду, разница в силе — это просто разница в давлении, умноженная на площадь коробки: h × ρ × g × (w × l)

Но поскольку (h × w × l) — это объем коробки, а ρ — ее плотность (или ее масса на единицу объема), это то же самое, что сказать, что разница в силе равна m × g, где m — это масса ящика.m × g — это еще один способ записать вес коробки.

Таким образом, мы очень быстро доказали, что тяга вверх равна весу жидкости, которую вытесняет ящик. Другими словами, чем больше текучести смещает ящик (чем больше он), тем больше аптраст. Вот почему лодки большего размера — более широкие, чтобы занимать больше места — могут перевозить больше вещей.

Средняя плотность

Если вы все еще находите идею аптраста немного запутанной, просто вернитесь к мысли о плотности.Представьте себе, что авианосец представлял собой гигантский металлический ящик такого же объема (как большая коробка из-под обуви), частично заполненный двигателями, самолетами, моряками и всем остальным — так что он весит столько же. Этот ящик плавал бы, если бы он весил меньше, чем ящик того же размера, наполненный водой; иначе он утонет. Короче говоря, авианосец плавает, потому что он весит меньше того же объема воды — потому что его средняя плотность меньше, чем у окружающей его воды.

Фото: Самый простой способ понять, почему вещи плавают, — это забыть об Архимеде и вместо этого подумать о плотности.Корабль плывет, потому что его средняя плотность относительно невелика. Этот пустой военно-транспортный корабль представляет собой гигантский пустой металлический ящик. Разделите его общую массу (его собственную массу плюс массу содержимого) на его объем, и вы получите его среднюю плотность. Это меньше плотности твердого металлического ящика или металлического ящика, наполненного водой, и поэтому корабль плывет. Фото Гэри Кина любезно предоставлено ВМС США.

Почему лодки не опрокидываются?

Если вы когда-нибудь забирались на весельную лодку, привязанную к пристань, вы почувствуете, насколько нестабильными могут быть маленькие лодки когда вы начинаете их загружать.Когда вы стоите в лодке, вы эффективно стать его частью, поэтому вы измените его центр тяжести, мгновенно подняв его намного выше. Поскольку ты войти в лодку сбоку, как только вы ступите на борт, вы переключаетесь центр тяжести к месту, где вы стоите. Теперь центр тяжести больше не находится над центром лодки, и это заставляет все вращаться к вам. Лодка относительно свободно может качаться из стороны в сторону; потому что он имеет положительную плавучесть, требуется лишь небольшой заставить его двигаться в воде.Все эти вещи вместе создают небольшую лодку относительно легко опрокинуть (повернуть на бок и часто тонет). Садясь в маленькую лодку, вы понижаете центр тяжести и делаете он более стабильный.

Фото: Маленькие лодки могут быть довольно неустойчивыми, даже с килем. Сильный ветер мог опрокинуть лодку, поэтому весь экипаж сидит на краю, чтобы уравновесить поворот сила собственным весом. Фото Чада Рунге любезно предоставлено ВМС США.

Лодки большего размера не страдают этой проблемой.Во-первых, они, как правило, имеют двигатели из тяжелого металла, расположенные очень низко под уровень воды, что придает им низкий центр тяжести и делает их более устойчивыми. Во-вторых, у них есть больший киль (вертикальная доска, идущая под водой сзади вперед по центральный «хребет» под лодкой. Киль помогает остановиться катание (движение из стороны в сторону) или опрокидывание лодки, потому что это означает, что требуется больше силы, чтобы толкнуть лодку вбок через воду или поверните его. Киль также играет роль в рулевого управления и движения лодки, как мы вскоре увидим.

Как движутся лодки?

Гравитация — это сила, с которой нам приходится работать, когда мы идем по суше. Но если ты хороший пловец, вы будете знать, что это не проблема, когда вы двигаетесь по воде, потому что ваше тело относительно плавучее: хотя ваше тело состоит в основном из воды, это не только вода (он весит меньше мешка воды точно такого же размера). Водонепроницаемость (сопротивление), безусловно, самая большая сила, с которой пловцы должны работать, и то же самое и с лодками. Чем больше весит лодка, тем ниже ее вес. он сидит в воде и тем большую водонепроницаемость он создает.Вот почему у лодок острые узкие дуги (чтобы вода не мешала чистоте) и изогнутые передние края этой плоскости (поднимите их вода по мере их движения). Подводные крылья доводят эту идею до предела, используя подводные крылья, которые поднимают корпус и освобождают его от воды во время движения.


Фото: Судно на подводных крыльях — это тип лодки, в которой используются подводные крылья для создания подъемной силы при движении вперед, поднимая корпус над волнами для уменьшения сопротивления воды. Фото Марка С. Кеттенхофена любезно предоставлено ВМС США.

Как и большинство других объектов, лодки движутся используя три закона движения Ньютона: 1) они никуда не денутся если какая-то сила не толкает или не тянет их; 2) Когда есть подходящей силы, это заставляет их ускоряться (двигаться быстрее или в новом направление), а большая сила их еще больше разгонит; 3) Если лодка хочет идти вперед, он должен толкать назад сила — так же, как вам нужно откинуться назад на скейтборде, чтобы выстрелить по тротуару (или оттолкнитесь ногами, чтобы идти вперед).

Большинство лодок используют один из трех различных видов мощности: весла или шесты, паруса и двигатели.

Весла и шесты

Фото: Человеческая сила остается надежным способом привести лодку в движение, но если у вас не будет равного количества весел с обеих сторон (или если вы не будете постоянно менять их местами), вы будете двигаться в одну сторону чаще, чем в другую. Фото Клэя Вайса любезно предоставлено ВМС США.

Самая старая форма движения лодки — простая человеческая. мощность. Вы можете грести на лодке, потянув воду назад большим весла, или вы можете толкнуть что-то вроде плота вперед, оттолкнувшись против реки или морского дна.Весла достигли своей вершины с удивительные галеры возникли в греческие и римские времена. Биремы (возможно, датируется вторым тысячелетием до нашей эры) имел две платформы, заполненные гребцов, в то время как триеры (изобретенные за несколько сотен лет до нашей эры) имели три, quadriremes было четыре, а quinquiremes пять (хотя будут ли лодки с таким количеством людей на такой высоте были либо стабильными, либо эффективными). Во всяком случае, вскоре дали способ парусной власти.

Паруса

Если вы развешиваете простыни для сушки в сильном ветер, вы точно знаете, как работают парусные лодки! Но лодки не всегда хочется уплыть, и ветер дует прямо за ними.На практике это означает, что паруса нужно располагать под углом, но ветер тогда попытается поднять лодку под этим углом, а не направление, в котором вы хотите идти. Сила ветра толкает вас в одну сторону, поэтому вам нужны и другие силы, в других направлениях, чтобы исправить это и создать результирующую (комбинированную) силу в направление, в котором вы действительно хотите идти. Две другие силы помогают. Один — это сила от киля. Если ветер развевает лодку частично вбок, киль отталкивается от воды и помогает лодке прямое направление.Вы также можете наклонить руль в задней части лодка так, что когда вода попадает в нее, она отстреливается под углом, рулевое управление лодка в ту или иную сторону. (Раньше рули располагались на справа от лодки и называется рулевым бортом, поэтому сторона лодки, обращенная вперед, по-прежнему называется правым бортом и по сей день; левая сторона называется портом.)

Фото: У яхт несколько парусов, поэтому они могут ловить ветер с любого направления. Фото Эрика Брауна любезно предоставлено ВМС США.

Если вы хотите плыть по ветру, вам нужно использовать треугольный или латинский парус висит в передней части лодки на угол встречного ветра. Когда ветер ударяет по парусу, он дует вокруг него и ускоряется; парус действует аналогично аэродинамический профиль (изогнутая поверхность крыла самолета), разбрасывающий воздух и толкает лодку вперед (точно так же, как нисходящий воздух от крыла продвигает самолет вверх).

Двигатели

Старые моряки погибли без ветра, но сейчас это не проблема, благодаря двигателям, которые могут быть используется для питания гребных винтов.Первые моторные лодки использовали паровые машины высокого давления, работающие на угле; современные двигатели неизменно дизельный. Единственная реальная проблема с использованием внутреннего сгорания двигателей для моторных лодок в том, что они нуждаются в постоянной подаче кислорода сжечь топливо; это означает, что вы не можете использовать их для питания подводных лодок под водой. Однако есть обходной путь: вы можете использовать дизельное топливо. двигатель у поверхности, чтобы приводить в действие генератор и заряжать батареи, которые затем используются для привода электродвигателя и гребного винта, когда подводная лодка находится под водой.(Ядерная энергия — еще один вариант и означает подводная лодка может находиться под водой неделями или месяцами.)

Не все моторные лодки используют гребные винты. Гидроциклы и водные крылья (большие версии гидроциклов на подводных крыльях) используют двигателей для привода рабочих колес (водяных насосов), создающих мощную обратная струя воды. Сила воды, стреляющей в ответ в воду движет лодку вперед, как горячий выхлопной газ от реактивного двигателя.

Из каких материалов сделаны лодки?

Практически каждый материал, о котором вы только можете подумать, имеет в то или иное время использовались для изготовления лодок.Первые лодки были из кожи, коры и дерева животных; позже появились землянки, сделанные черпать древесину из тщательно подобранного ствола дерева. В древности раз, судостроители усовершенствовали искусство постройки лодок с отдельные доски, либо прикрепив края одной доски к краям окружающих, как кирпичи в стене (что, как известно как резьба по дереву) или, что еще лучше, перекрытие досок снизу вверх (техника, известная как клинкерный строительный), который делает лодку более прочной, легкой и быстрой.Промышленная революция принесла еще одно замечательное нововведение: эпоха могучих железных и стальных кораблей. Большинство современных кораблей по-прежнему Сегодня он построен из стали, хотя он относительно тяжелый. Вот почему некоторые более крупные лодки теперь изготавливаются из прочных и легких металлов, таких как как алюминий, в то время как меньшие часто делаются из легких композиты, такие как стекловолокно или сверхпрочные пластмассы, такие как Kevlar®.

Иллюстрации: Лодки, построенные из клинкера (слева), имеют перекрывающиеся доски, что дает гораздо более прочный корпус; На лодках с резьбой (справа) доски соединены встык, образуя гладкую внешнюю поверхность.

Краткая история кораблей и катеров

Ссылки на этой временной шкале обычно ведут к дополнительной информации в Википедии и на других сайтах.

Предыстория и древние времена

  • ~ 10 000 до н.э .: Первые лодки включают плоты, шкуры, лодки из кожи и коры, каяки и землянки.
  • ~ 5000–3000 гг. До н. Э .: Месопотамские моряки изобретают паруса.
  • ~ 3000 г. до н.э .: Древние египтяне сделали первые лодки из деревянных досок.
  • ~ 2500 г. до н. Э .: минойцы и Микенцы стали первыми великими мореплавателями, исследующими Средиземное море.
  • ~ 1500–27 гг. До н. Э .: Греки строят гигантские военные корабли, в том числе биремы и триеры.
  • , 27 г. до н.э. – 400 г. до н. Э .: Римляне строят галеры, древние предки современных военных кораблей, с инновациями, включая поднятую мост.
  • ~ 300 г. до н. Э .: Архимед (287–212 г. до н. Э.) Разгадывает науку о плавании.
  • 200 г. н.э .: латинские паруса широко используются в Средиземном море (хотя считается, что они были изобретены несколько раньше в арабском мире).

Средние века

Великий возраст судоходства

Фото: Военный корабль США «Конституция», получивший прозвище «Старый Айронсайд», представляет собой классический трехмачтовый фрегат (военный корабль), построенный в 1797 году.Давным-давно ушел с военной службы, теперь это интересный музей в Бостоне. Фото Кэтрин Э. Макдональд любезно предоставлено ВМС США.

  • 1777: Построена первая лодка с железным корпусом (в Англии).
  • 1783: маркиз д’Аббанс (1751–1832) строит первый пароход.
  • XIX век: Налажены регулярные перевозки пакетов по расписанию. Быстрые клиперы устанавливать морские рекорды.
  • 1807: Роберт Фултон (1765–1815) устанавливает рекорд путешествия из Нью-Йорка в Олбани на пароходе под названием Клермон.
  • 1819: Пароход SS «Саванна» пересекает Атлантику за рекордные 29 дней.
  • 1836: Изобретены современные гребные винты (независимо) Фрэнсис Петтит Смит (1808–1874) и Джон Эрикссон (1803–1889).
  • 1837: Грейт Вестерн, гигантский паровой двигатель Корабль, построенный Isambard Kingdom Brunel (1806–1859), становится первой железной лодкой, пересекшей Атлантику.
  • 1850-е годы: английский кораблестроитель Джон Джордан делает, вероятно, первый композитный корабль, добавляя обшивку из деревянных досок. над железным каркасом.
  • 1870-1898: Джон Холланд проектирует и строит первую практичную подводную лодку с двигателем, но пытается убедить США Военно-морской флот о своем потенциале.
  • 1877: Английский изобретатель Джон Торникрофт патентует раннюю форму корабля на воздушной подушке, основанную на плавающей лилии.
  • 1884: Сэр Чарльз Парсонс изобретает высокоэффективный паровой двигатель, называемый паровой турбиной. В 1897 году он развивает запуск двигателя с паровой турбиной под названием Turbinia.
  • 1886: Немецкий пионер автомобилестроения Готлиб Даймлер использует бензиновый двигатель для привода лодки.
  • 1886: Gluckauf, один из первых океанских танкеров, построен и спущен на воду в Великобритании.
  • 1880: Шведский морской офицер в отставке Чарльз Г. Лундборг изобретает SWATH (малый гидросамолет с двумя корпусами) лодки, которые плывут высоко над волнами на два подводных корпуса.

Современные корабли

  • ~ 1900-е годы: богатые люди наслаждаются романтикой, роскошный век океанских путешествий на борту лайнеров, таких как Мавритания, Лузитания и Аквитания.
  • 1906: Энрико Форланини изобретает судно на подводных крыльях.Пионер в области телефонной связи Александр Грэм Белл также принял участие в его развитии.
  • 1912: «практически непотопляемый» роскошный лайнер. под названием «Титаник» занял место в истории как самая известная океанская катастрофа всех времен, когда он ударяется об айсберг и тонет, убито более 1500 человек.
  • 1930-е годы: немцы разрабатывают шноркель, дыхательную трубку, которая позволяет использовать дизельные двигатели на подводных лодках. работать под водой, снижая риск обнаружения.
  • 1943: Впервые используются судовые газотурбинные двигатели.
  • 1955: ВМС США запускают первый ядерный двигатель. подводная лодка, USS Nautilus.
  • 1956: Первый контейнеровоз Ideal X запущен из Ньюарка, штат Нью-Джерси.
  • 1959: Судно на воздушной подушке Кристофера Кокерелла совершает свой первый рейс.
  • 1960: Жак Пикар и лейтенант Дон Уолш из ВМС США нырнули на глубину примерно 11 км (6 миль) в самую глубокую часть океаны, Марианская впадина, в Триесте, сверхпрочное водолазное судно (батискаф).
  • 1962: Корабль FLIP Института Скриппса впервые используется для изучать движение океанских волн.
  • 1964: Глубоководный научный подводный аппарат под названием Элвин разработан Океанографическим институтом Вудс-Хоул в Массачусетс и начинает исследовать океан до глубины почти 5 км. (3 мили).
  • 1978: Научно-исследовательское судно JOIDES. Запущено разрешение, позволяющее ученым исследовать морское дно более подробно, чем когда-либо прежде.
  • 1992: ВМС США утилизируют последнего своего гиганта линкоры, военный корабль США Миссури.
  • 1993: ВМС США запускают экспериментальную невидимую радиолокационную станцию ​​стелс. лодка под названием Sea Shadow, основанная на дизайне SWATH.В 2011 году ВМФ объявляет о намерении списать судно.
  • 2012: Построенный в Германии MS Tûranor PlanetSolar становится первым транспортным средством с фотоэлектрические солнечные элементы, чтобы совершить кругосветное путешествие.
  • 2014: Норлед MF Ampere, первый в мире полностью электрический автомобильный и пассажирский паром с батарейным питанием начинает курсировать в Норвегии, и экономия одного миллиона литров дизельного топлива в год.

Корабли и катера | Как они плавают?

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 23 мая 2021 г.

По воде нельзя ходить: ты слишком тяжелый и ты утонешь как камень. Но этот авианосец может плавать, хоть и более 300 м (1000 футов) в длину, как минимум в миллион раз тяжелее вас, и вмещает около 70 самолетов и 4000 моряки. Суда (большие океанские суда) и лодки (более мелкие) являются блестящим примером того, как науку можно использовать для решения простая проблема. Более двух третей поверхности Земли покрыто вода, так что хорошо, что наука помогает нам покорить волны.Как именно корабли делают свое дело? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Авианосец проходит 342 м (1123 фута) от носа до кормы. USS Enterprise до выхода на пенсию в 2013 году был самым длинным военным кораблем в мире. Несмотря на огромные размеры этого корабля, обратите внимание на то, как его нос (передняя часть) довольно остро заострен, поэтому он отталкивает воду, создавая меньшее сопротивление и позволяя кораблю двигаться быстрее и быстрее. более эффективно. Фото Брукса Б. Паттона любезно предоставлено ВМС США.

Что такое лодки?

Не такой уж и глупый вопрос! Корабль или лодка (с этого момента мы будем называть их все лодки) — это транспортное средство, которое может плавать и перемещаться по океану, реке или другому водному месту, либо через собственное сила или использование силы элементов (ветра, волн или Солнца).Большинство лодки частично движутся по воде и частично над водой, но некоторые (особенно суда на воздушной подушке и суда на подводных крыльях) подниматься и ускоряться над ним в то время как другие (подводные лодки и подводные аппараты, которые малы подводные лодки) целиком уходят под нее. Это звучит как вполне педантичные различия, но они оказываются очень важными — поскольку мы увидим через мгновение.

Почему лодки плавают?

Все лодки могут плавать, но плавать сложнее и сбивает с толку, чем кажется, и это лучше всего обсудить через научная концепция, называемая плавучестью, которая сила, вызывающая плавание.Любой объект либо будет плавать или утонуть в воде в зависимости от ее плотности (сколько определенный объем его весит). Если он плотнее воды, он обычно тонет; если он менее плотный, он будет плавать. Неважно, насколько большой или маленький объект: золотое кольцо утонет в воде, а кусок пластик размером с футбольное поле будет плавать. Основное правило состоит в том, что объект утонет, если он весит больше, чем точно такой же объем воды. Но это не совсем объясняет, почему авианосец (сделанный из плотного металла) может плавать, так что давайте исследуем немного дальше.

Положительная, отрицательная и нейтральная плавучесть

Плавучесть легче всего понять, думая о подводная лодка. У него есть водолазные самолеты (ласты, установленные сбоку) и балластные цистерны, которые он может заполнять водой или воздухом, чтобы заставить его подниматься или опускаться по мере необходимости. Если его резервуары полностью заполнены воздухом, он считается плавучим: резервуары весят меньше, чем равный объем воды, и заставляют субмарину плавать на поверхности. Если резервуары частично заполнены воздухом, можно сделать подводную лодку плавать на некоторой средней глубине воды, не поднимаясь и не поднимаясь. опускается.Это называется нейтральной плавучестью. Другой вариант — для полного заполнения баков водой. В этом случае подводная лодка имеет отрицательную плавучесть, что означает, что она тонет морское дно. Узнайте больше о том, как подводные лодки поднимаются и опускаются.

Фото: Подводные лодки могут подниматься на поверхность или опускаться на любую выбранную глубину, контролируя свою плавучесть. Они делают это, впуская в балластные цистерны точное количество воды или воздуха. Фото любезно предоставлено ВМС США.

Плавучесть на поверхности

Сейчас большинство лодок не работают одинаково как подводные лодки.Они не тонут, но и не плавают точно. Лодка частично плывет, а частично тонет под собственным весом и какой вес он несет; чем больше сумма этих двух веса, тем ниже он сидит в воде. Так много веса лодка может нести, не погружаясь в воду настолько, что … действительно полностью тонет! Чтобы корабли могли безопасно плыть, нам нужно знать, какой вес мы можно вставлять или накладывать их, даже не приближаясь к этой точке. Так как мы можем это выяснить?

Принцип Архимеда

Человек, первым придумавший ответ, был Греческий математик Архимед, примерно в третьем веке до нашей эры.Согласно популярной легенде, ему было поручено выяснить, действительно ли корона для короля было либо чистое золото, либо дешевая подделка, частично сделанная из смеси золото и серебро. Одна из версий этой истории гласит что он принимал ванну и заметил, как уровень воды поднялся, когда он погрузил свое тело. Он понял, что если он уронил золотую корону в ванну, она вытолкнула или «сместила» собственный объем воды за бортом, что дает ему простой способ измерения объем очень сложного объекта.Взвесив корону, он мог легко вычислить ее плотности (его масса, деленная на его объем) и сравните его с массой золото. Если плотность была ниже, чем у золота, корона явно была подделкой. Другие версии этой истории рассказывают немного иначе — и многие думают, что наверное, вся сказка все равно выдумана!

Позже он придумал знаменитый закон физики, ныне известный как принцип Архимеда: когда что-то покоится в воде или на воде, оно ощущает восходящую (плавучую) силу равняется весу воды, которую он отталкивает (или вытесняет).Если объект полностью погружен в воду, эта подъемная сила, толкая вверх, эффективно уменьшает его вес: кажется, что под водой он весит меньше, чем на суше. Вот почему что-то вроде резинового дайвинг-кирпича (один из тех кирпичей, с которыми вы тренируетесь в бассейне) кажется легче, когда вы берете его из-под воды, чем когда вы поднимаете его на поверхность и поднимаете по воздуху: под водой вы получаете помощь рука от выталкивающей силы.

Все это объясняет, почему вес корабля (и его содержимого) обычно называют его весом. смещение: если бы океан был чашей воды, заполненной до краев, водоизмещение корабля составляет вес воды, которая пролилась бы через край, когда Корабль был спущен на воду.USS Enterprise в на нашем верхнем фото водоизмещение около 75000 тонн без груза или 95000 тонн с полной загрузкой, когда он находится несколько ниже в воде. Поскольку пресная вода менее плотная, чем соленая, то же судно будет сидеть ниже в реке (или устье, где есть смесь пресноводных и соленая вода), чем в море.


Фото: Этот относительно небольшой контейнеровоз может перевозить 17 375 тонн (метрических тонн). груза. Крупнейшие контейнеровозы перевозят в десять раз больше (около 200 тысяч тонн).Фото Лауры А. Мур любезно предоставлено ВМС США и заархивировано на Wikimedia Commons.

Аптраст

Иллюстрация: Вес корабля, тянущего вниз, уравновешивается восходящей тягой — давлением воды под ним, толкающей вверх.

К сожалению, на самом деле ни один из этих не объясняет , почему авианосец плывет! Так почему это происходит? Откуда на самом деле исходит эта «волшебная» плавучая сила? Авианосец занимает огромный объем, поэтому его вес распределяется по большой площади. океан.Вода — довольно плотная жидкость, которая практически невозможно сжать. Его высокая плотность (и, следовательно, большой вес) означает, что он может оказывать большое давление: он выталкивается наружу внутрь. во всех направлениях (то, что вы можете легко почувствовать при плавании под водой, особенно при подводном плавании с аквалангом). Когда авианосец находится на воде, частично погруженный в воду, давление воды уравновешивается во всех направлениях, кроме вверх; другими словами, существует чистая сила (называемая аптрастом) поддерживая лодку снизу. Лодка тонет в воде под своим весом и подталкивается восходящим толчком.Насколько низко он опускается? Чем больше он весит (включая вес, который он несет), тем ниже он опускается:

  • Если лодка весит меньше, чем максимальный объем воды, который она может когда-либо оттолкнуть (сместить), она плавает. Но он тонет в воде до тех пор, пока его вес и подъем не уравновешиваются.
  • Чем больше нагрузки вы добавляете к лодке, тем больше она весит и тем дальше ей придется тонуть, чтобы подъемный рывок уравновесил ее вес. Почему? Поскольку давление воды увеличивается с глубиной: чем дальше в воду погружается лодка, фактически не погружаясь, тем больше создается подъемный подъем.
  • Если лодка продолжает тонуть до тех пор, пока не исчезнет, ​​это означает, что она не может произвести достаточного подъема тяги. Другими словами, если лодка весит больше, чем общий объем воды, который она может оттолкнуть (смещается), она тонет.

Upthrust — все просто

Чтобы отчетливо представить себе аптраст, подумайте о том, что происходит, когда вы загружаете корабль.

  1. Корабль без груза на некоторое время тонет в воде. Количество вытесняемой им воды (заштрихованная область) весит столько же, сколько и корабль.Вес корабля, тянущего вниз (красная стрелка) и толкающего вверх (синяя стрелка), равны и противоположны, поэтому корабль плывет.
  2. А что, если мы начнем загружать корабль? Он опускается дальше, вытесняя больше воды (большая заштрихованная область). Вес корабля и его тяга вниз (красная стрелка) и тяга вверх (синяя стрелка) по-прежнему равны, но теперь оба они больше.
  3. Предположим, мы загружаем корабль немного больше, так что он просто тонет под поверхностью, но продолжает плавать.Опять же, тяга вниз и тяга вверх равны, хотя оба они больше. Но в этот критический момент корабль вытесняет столько воды, сколько может, поэтому подъем не может быть больше.
  4. В любом случае корабль нам не очень понравился, поэтому давайте добавим свинцовый груз сверху (груз, достаточно плотный, чтобы утонуть сам по себе). Независимо от того, какой вес мы добавляем, корабль не может производить больше восходящего тягового усилия: как только он полностью погружается, на какую бы глубину он ни опускался, он может вытеснить только определенное количество воды и создать определенное количество восходящей тяги.Теперь вес корабля превышает максимально возможный подъем, поэтому он опускается на дно. Предположим, мы прикрепили гигантские весы к верхней части корабля. Кажущийся вес корабля вместе с его грузом будет намного меньше ожидаемого на величину, равную весу вытесненной воды (размеру восходящего надвига). Другими словами, если бы мы хотели поднять корабль на поверхность с морского дна, нам нужно было бы использовать подъемную силу, равную разнице между весом и подъемом (красная стрелка минус синяя стрелка).

Как мы узнаем, что подъем на что-то равен весу вытесняемой им жидкости?

Если вы можете немного посчитать, это очень легко доказать! Нам нужно знать два основных момента физики сделать это. Во-первых, это давление определяется как сила на единицу площади (сила, деленная на площадь), поэтому сила на данной поверхности коробки равна давлению, умноженному на площадь этого поверхность. Во-вторых, давление (P) на заданной глубине (h) в жидкости равно глубине, умноженной на плотность (ρ), умноженную на g (ускорение свободного падения).Или P = h × ρ × g.

А теперь взгляните на этот затопленный ящик. Насколько велик аптраст? Давление воды в верхней части коробки составляет h2 × ρ × g, а давление внизу — h3 × ρ × g. Разница в давлении составляет (h3 − h2) × ρ × g = h × ρ × g.

Поскольку площадь коробки одинакова повсюду, разница в силе — это просто разница в давлении, умноженная на площадь коробки: h × ρ × g × (w × l)

Но поскольку (h × w × l) — это объем коробки, а ρ — ее плотность (или ее масса на единицу объема), это то же самое, что сказать, что разница в силе равна m × g, где m — это масса ящика.m × g — это еще один способ записать вес коробки.

Таким образом, мы очень быстро доказали, что тяга вверх равна весу жидкости, которую вытесняет ящик. Другими словами, чем больше текучести смещает ящик (чем больше он), тем больше аптраст. Вот почему лодки большего размера — более широкие, чтобы занимать больше места — могут перевозить больше вещей.

Средняя плотность

Если вы все еще находите идею аптраста немного запутанной, просто вернитесь к мысли о плотности.Представьте себе, что авианосец представлял собой гигантский металлический ящик такого же объема (как большая коробка из-под обуви), частично заполненный двигателями, самолетами, моряками и всем остальным — так что он весит столько же. Этот ящик плавал бы, если бы он весил меньше, чем ящик того же размера, наполненный водой; иначе он утонет. Короче говоря, авианосец плавает, потому что он весит меньше того же объема воды — потому что его средняя плотность меньше, чем у окружающей его воды.

Фото: Самый простой способ понять, почему вещи плавают, — это забыть об Архимеде и вместо этого подумать о плотности.Корабль плывет, потому что его средняя плотность относительно невелика. Этот пустой военно-транспортный корабль представляет собой гигантский пустой металлический ящик. Разделите его общую массу (его собственную массу плюс массу содержимого) на его объем, и вы получите его среднюю плотность. Это меньше плотности твердого металлического ящика или металлического ящика, наполненного водой, и поэтому корабль плывет. Фото Гэри Кина любезно предоставлено ВМС США.

Почему лодки не опрокидываются?

Если вы когда-нибудь забирались на весельную лодку, привязанную к пристань, вы почувствуете, насколько нестабильными могут быть маленькие лодки когда вы начинаете их загружать.Когда вы стоите в лодке, вы эффективно стать его частью, поэтому вы измените его центр тяжести, мгновенно подняв его намного выше. Поскольку ты войти в лодку сбоку, как только вы ступите на борт, вы переключаетесь центр тяжести к месту, где вы стоите. Теперь центр тяжести больше не находится над центром лодки, и это заставляет все вращаться к вам. Лодка относительно свободно может качаться из стороны в сторону; потому что он имеет положительную плавучесть, требуется лишь небольшой заставить его двигаться в воде.Все эти вещи вместе создают небольшую лодку относительно легко опрокинуть (повернуть на бок и часто тонет). Садясь в маленькую лодку, вы понижаете центр тяжести и делаете он более стабильный.

Фото: Маленькие лодки могут быть довольно неустойчивыми, даже с килем. Сильный ветер мог опрокинуть лодку, поэтому весь экипаж сидит на краю, чтобы уравновесить поворот сила собственным весом. Фото Чада Рунге любезно предоставлено ВМС США.

Лодки большего размера не страдают этой проблемой.Во-первых, они, как правило, имеют двигатели из тяжелого металла, расположенные очень низко под уровень воды, что придает им низкий центр тяжести и делает их более устойчивыми. Во-вторых, у них есть больший киль (вертикальная доска, идущая под водой сзади вперед по центральный «хребет» под лодкой. Киль помогает остановиться катание (движение из стороны в сторону) или опрокидывание лодки, потому что это означает, что требуется больше силы, чтобы толкнуть лодку вбок через воду или поверните его. Киль также играет роль в рулевого управления и движения лодки, как мы вскоре увидим.

Как движутся лодки?

Гравитация — это сила, с которой нам приходится работать, когда мы идем по суше. Но если ты хороший пловец, вы будете знать, что это не проблема, когда вы двигаетесь по воде, потому что ваше тело относительно плавучее: хотя ваше тело состоит в основном из воды, это не только вода (он весит меньше мешка воды точно такого же размера). Водонепроницаемость (сопротивление), безусловно, самая большая сила, с которой пловцы должны работать, и то же самое и с лодками. Чем больше весит лодка, тем ниже ее вес. он сидит в воде и тем большую водонепроницаемость он создает.Вот почему у лодок острые узкие дуги (чтобы вода не мешала чистоте) и изогнутые передние края этой плоскости (поднимите их вода по мере их движения). Подводные крылья доводят эту идею до предела, используя подводные крылья, которые поднимают корпус и освобождают его от воды во время движения.


Фото: Судно на подводных крыльях — это тип лодки, в которой используются подводные крылья для создания подъемной силы при движении вперед, поднимая корпус над волнами для уменьшения сопротивления воды. Фото Марка С. Кеттенхофена любезно предоставлено ВМС США.

Как и большинство других объектов, лодки движутся используя три закона движения Ньютона: 1) они никуда не денутся если какая-то сила не толкает или не тянет их; 2) Когда есть подходящей силы, это заставляет их ускоряться (двигаться быстрее или в новом направление), а большая сила их еще больше разгонит; 3) Если лодка хочет идти вперед, он должен толкать назад сила — так же, как вам нужно откинуться назад на скейтборде, чтобы выстрелить по тротуару (или оттолкнитесь ногами, чтобы идти вперед).

Большинство лодок используют один из трех различных видов мощности: весла или шесты, паруса и двигатели.

Весла и шесты

Фото: Человеческая сила остается надежным способом привести лодку в движение, но если у вас не будет равного количества весел с обеих сторон (или если вы не будете постоянно менять их местами), вы будете двигаться в одну сторону чаще, чем в другую. Фото Клэя Вайса любезно предоставлено ВМС США.

Самая старая форма движения лодки — простая человеческая. мощность. Вы можете грести на лодке, потянув воду назад большим весла, или вы можете толкнуть что-то вроде плота вперед, оттолкнувшись против реки или морского дна.Весла достигли своей вершины с удивительные галеры возникли в греческие и римские времена. Биремы (возможно, датируется вторым тысячелетием до нашей эры) имел две платформы, заполненные гребцов, в то время как триеры (изобретенные за несколько сотен лет до нашей эры) имели три, quadriremes было четыре, а quinquiremes пять (хотя будут ли лодки с таким количеством людей на такой высоте были либо стабильными, либо эффективными). Во всяком случае, вскоре дали способ парусной власти.

Паруса

Если вы развешиваете простыни для сушки в сильном ветер, вы точно знаете, как работают парусные лодки! Но лодки не всегда хочется уплыть, и ветер дует прямо за ними.На практике это означает, что паруса нужно располагать под углом, но ветер тогда попытается поднять лодку под этим углом, а не направление, в котором вы хотите идти. Сила ветра толкает вас в одну сторону, поэтому вам нужны и другие силы, в других направлениях, чтобы исправить это и создать результирующую (комбинированную) силу в направление, в котором вы действительно хотите идти. Две другие силы помогают. Один — это сила от киля. Если ветер развевает лодку частично вбок, киль отталкивается от воды и помогает лодке прямое направление.Вы также можете наклонить руль в задней части лодка так, что когда вода попадает в нее, она отстреливается под углом, рулевое управление лодка в ту или иную сторону. (Раньше рули располагались на справа от лодки и называется рулевым бортом, поэтому сторона лодки, обращенная вперед, по-прежнему называется правым бортом и по сей день; левая сторона называется портом.)

Фото: У яхт несколько парусов, поэтому они могут ловить ветер с любого направления. Фото Эрика Брауна любезно предоставлено ВМС США.

Если вы хотите плыть по ветру, вам нужно использовать треугольный или латинский парус висит в передней части лодки на угол встречного ветра. Когда ветер ударяет по парусу, он дует вокруг него и ускоряется; парус действует аналогично аэродинамический профиль (изогнутая поверхность крыла самолета), разбрасывающий воздух и толкает лодку вперед (точно так же, как нисходящий воздух от крыла продвигает самолет вверх).

Двигатели

Старые моряки погибли без ветра, но сейчас это не проблема, благодаря двигателям, которые могут быть используется для питания гребных винтов.Первые моторные лодки использовали паровые машины высокого давления, работающие на угле; современные двигатели неизменно дизельный. Единственная реальная проблема с использованием внутреннего сгорания двигателей для моторных лодок в том, что они нуждаются в постоянной подаче кислорода сжечь топливо; это означает, что вы не можете использовать их для питания подводных лодок под водой. Однако есть обходной путь: вы можете использовать дизельное топливо. двигатель у поверхности, чтобы приводить в действие генератор и заряжать батареи, которые затем используются для привода электродвигателя и гребного винта, когда подводная лодка находится под водой.(Ядерная энергия — еще один вариант и означает подводная лодка может находиться под водой неделями или месяцами.)

Не все моторные лодки используют гребные винты. Гидроциклы и водные крылья (большие версии гидроциклов на подводных крыльях) используют двигателей для привода рабочих колес (водяных насосов), создающих мощную обратная струя воды. Сила воды, стреляющей в ответ в воду движет лодку вперед, как горячий выхлопной газ от реактивного двигателя.

Из каких материалов сделаны лодки?

Практически каждый материал, о котором вы только можете подумать, имеет в то или иное время использовались для изготовления лодок.Первые лодки были из кожи, коры и дерева животных; позже появились землянки, сделанные черпать древесину из тщательно подобранного ствола дерева. В древности раз, судостроители усовершенствовали искусство постройки лодок с отдельные доски, либо прикрепив края одной доски к краям окружающих, как кирпичи в стене (что, как известно как резьба по дереву) или, что еще лучше, перекрытие досок снизу вверх (техника, известная как клинкерный строительный), который делает лодку более прочной, легкой и быстрой.Промышленная революция принесла еще одно замечательное нововведение: эпоха могучих железных и стальных кораблей. Большинство современных кораблей по-прежнему Сегодня он построен из стали, хотя он относительно тяжелый. Вот почему некоторые более крупные лодки теперь изготавливаются из прочных и легких металлов, таких как как алюминий, в то время как меньшие часто делаются из легких композиты, такие как стекловолокно или сверхпрочные пластмассы, такие как Kevlar®.

Иллюстрации: Лодки, построенные из клинкера (слева), имеют перекрывающиеся доски, что дает гораздо более прочный корпус; На лодках с резьбой (справа) доски соединены встык, образуя гладкую внешнюю поверхность.

Краткая история кораблей и катеров

Ссылки на этой временной шкале обычно ведут к дополнительной информации в Википедии и на других сайтах.

Предыстория и древние времена

  • ~ 10 000 до н.э .: Первые лодки включают плоты, шкуры, лодки из кожи и коры, каяки и землянки.
  • ~ 5000–3000 гг. До н. Э .: Месопотамские моряки изобретают паруса.
  • ~ 3000 г. до н.э .: Древние египтяне сделали первые лодки из деревянных досок.
  • ~ 2500 г. до н. Э .: минойцы и Микенцы стали первыми великими мореплавателями, исследующими Средиземное море.
  • ~ 1500–27 гг. До н. Э .: Греки строят гигантские военные корабли, в том числе биремы и триеры.
  • , 27 г. до н.э. – 400 г. до н. Э .: Римляне строят галеры, древние предки современных военных кораблей, с инновациями, включая поднятую мост.
  • ~ 300 г. до н. Э .: Архимед (287–212 г. до н. Э.) Разгадывает науку о плавании.
  • 200 г. н.э .: латинские паруса широко используются в Средиземном море (хотя считается, что они были изобретены несколько раньше в арабском мире).

Средние века

Великий возраст судоходства

Фото: Военный корабль США «Конституция», получивший прозвище «Старый Айронсайд», представляет собой классический трехмачтовый фрегат (военный корабль), построенный в 1797 году.Давным-давно ушел с военной службы, теперь это интересный музей в Бостоне. Фото Кэтрин Э. Макдональд любезно предоставлено ВМС США.

  • 1777: Построена первая лодка с железным корпусом (в Англии).
  • 1783: маркиз д’Аббанс (1751–1832) строит первый пароход.
  • XIX век: Налажены регулярные перевозки пакетов по расписанию. Быстрые клиперы устанавливать морские рекорды.
  • 1807: Роберт Фултон (1765–1815) устанавливает рекорд путешествия из Нью-Йорка в Олбани на пароходе под названием Клермон.
  • 1819: Пароход SS «Саванна» пересекает Атлантику за рекордные 29 дней.
  • 1836: Изобретены современные гребные винты (независимо) Фрэнсис Петтит Смит (1808–1874) и Джон Эрикссон (1803–1889).
  • 1837: Грейт Вестерн, гигантский паровой двигатель Корабль, построенный Isambard Kingdom Brunel (1806–1859), становится первой железной лодкой, пересекшей Атлантику.
  • 1850-е годы: английский кораблестроитель Джон Джордан делает, вероятно, первый композитный корабль, добавляя обшивку из деревянных досок. над железным каркасом.
  • 1870-1898: Джон Холланд проектирует и строит первую практичную подводную лодку с двигателем, но пытается убедить США Военно-морской флот о своем потенциале.
  • 1877: Английский изобретатель Джон Торникрофт патентует раннюю форму корабля на воздушной подушке, основанную на плавающей лилии.
  • 1884: Сэр Чарльз Парсонс изобретает высокоэффективный паровой двигатель, называемый паровой турбиной. В 1897 году он развивает запуск двигателя с паровой турбиной под названием Turbinia.
  • 1886: Немецкий пионер автомобилестроения Готлиб Даймлер использует бензиновый двигатель для привода лодки.
  • 1886: Gluckauf, один из первых океанских танкеров, построен и спущен на воду в Великобритании.
  • 1880: Шведский морской офицер в отставке Чарльз Г. Лундборг изобретает SWATH (малый гидросамолет с двумя корпусами) лодки, которые плывут высоко над волнами на два подводных корпуса.

Современные корабли

  • ~ 1900-е годы: богатые люди наслаждаются романтикой, роскошный век океанских путешествий на борту лайнеров, таких как Мавритания, Лузитания и Аквитания.
  • 1906: Энрико Форланини изобретает судно на подводных крыльях.Пионер в области телефонной связи Александр Грэм Белл также принял участие в его развитии.
  • 1912: «практически непотопляемый» роскошный лайнер. под названием «Титаник» занял место в истории как самая известная океанская катастрофа всех времен, когда он ударяется об айсберг и тонет, убито более 1500 человек.
  • 1930-е годы: немцы разрабатывают шноркель, дыхательную трубку, которая позволяет использовать дизельные двигатели на подводных лодках. работать под водой, снижая риск обнаружения.
  • 1943: Впервые используются судовые газотурбинные двигатели.
  • 1955: ВМС США запускают первый ядерный двигатель. подводная лодка, USS Nautilus.
  • 1956: Первый контейнеровоз Ideal X запущен из Ньюарка, штат Нью-Джерси.
  • 1959: Судно на воздушной подушке Кристофера Кокерелла совершает свой первый рейс.
  • 1960: Жак Пикар и лейтенант Дон Уолш из ВМС США нырнули на глубину примерно 11 км (6 миль) в самую глубокую часть океаны, Марианская впадина, в Триесте, сверхпрочное водолазное судно (батискаф).
  • 1962: Корабль FLIP Института Скриппса впервые используется для изучать движение океанских волн.
  • 1964: Глубоководный научный подводный аппарат под названием Элвин разработан Океанографическим институтом Вудс-Хоул в Массачусетс и начинает исследовать океан до глубины почти 5 км. (3 мили).
  • 1978: Научно-исследовательское судно JOIDES. Запущено разрешение, позволяющее ученым исследовать морское дно более подробно, чем когда-либо прежде.
  • 1992: ВМС США утилизируют последнего своего гиганта линкоры, военный корабль США Миссури.
  • 1993: ВМС США запускают экспериментальную невидимую радиолокационную станцию ​​стелс. лодка под названием Sea Shadow, основанная на дизайне SWATH.В 2011 году ВМФ объявляет о намерении списать судно.
  • 2012: Построенный в Германии MS Tûranor PlanetSolar становится первым транспортным средством с фотоэлектрические солнечные элементы, чтобы совершить кругосветное путешествие.
  • 2014: Норлед MF Ampere, первый в мире полностью электрический автомобильный и пассажирский паром с батарейным питанием начинает курсировать в Норвегии, и экономия одного миллиона литров дизельного топлива в год.

Фил Кестен — «Лидеры мысли»

Некоторые большие и тяжелые вещи — например, военный корабль США «Энтерпрайз» — плавают в воде.Некоторые маленькие и легкие вещи, например, шарикоподшипник, этого не делают. Так что размер не определяет, …

Когда я прыгаю в бассейн, я тону как камень, если только я не бешусь, но когда авианосец USS Enterprise — который чуть больше и чуть тяжелее меня — прыгает в океан, он плавает с никаких усилий. Что происходит? Давайте немного задумаемся о науке о плавании.

Некоторые большие и тяжелые вещи, такие как USS Enterprise, плавают в воде.Некоторые маленькие и легкие вещи, например, шарикоподшипник, этого не делают. Таким образом, размер не определяет, плавает ли что-либо, как и вес. Давайте начнем с определения того, что заставляет что-то плавать или нет.

Все на Земле, будь то на поверхности или под водой, имеет вес всего, что наверху толкает вниз.

Все на Земле, будь то на поверхности или под водой, имеет вес всего, что наверху толкает вниз. Да, прямо сейчас, когда вы читаете это, вес всего воздуха над вами, вплоть до верхних слоев атмосферы, давит на вас вниз и внутрь.В результате сила составляет около 14,7 фунтов на каждый квадратный дюйм вашего тела. 14,7 фунтов на квадратный дюйм, или psi, — это нормальное среднее атмосферное давление на Земле.

Если вы нырнете в воду, на вас будет давить не только вес воздуха вверху над вами, но и вес всей воды над вами. Вода относительно тяжелая — спуститесь всего на 30 футов, и вес воды на квадратный дюйм вашего тела будет равен весу сотен миль воздуха над вами.

Почему вес всего этого воздуха и воды не толкает вас вниз, вниз, вниз после того, как вы нырнули в бассейн? Ответ прост: вода на ниже подталкивает вас к вверх на .

Вода хочет быть там, где вы находитесь

Вот и вы, под водой в бассейне. Вода хочет быть там, где вы есть — ваше тело вытеснило ее очень много. Если вы внезапно исчезнете, вода хлынет, чтобы заполнить пространство.Это сила этого потенциального «вторжения», которая приводит к силе, действующей против веса воздуха и воды над вами. Это подъемная сила.

Выталкивающая сила зависит от того, сколько воды вытесняет объект. Чем больше объект, тем большую подъемную силу он испытывает. Ах, но будет ли этот объект плавать?

Объект плавает, когда выталкивающая сила достаточно велика, чтобы противостоять весу объекта. Таким образом, большой полый объект может плавать, потому что большой означает вытеснение большего количества воды, а значит, большую выталкивающую силу, а полость означает относительно небольшой вес.Однако небольшой твердый объект может , а не плавать. Меньшее вытеснение воды приводит к меньшей выталкивающей силе. Если этой выталкивающей силы недостаточно, чтобы противостоять весу объекта, он утонет.

Так что да, USS Enterprise весит намного больше, чем я. Но вес вытесняемой им воды больше веса авианосца, поэтому он плавает. Я вешу больше, чем вытесняю воду, поэтому тону.

Вы можете почувствовать, сколько воды вытесняет USS Enterprise, по этой фотографии:

USS Enterprise

Киль лодки находится глубоко под водой, и большую часть длины корабль довольно широкий.Итак, под водой есть большой объем лодки, и все это вытесняет воду.

————————————————- ————

Вопросы для размышления:

Если вы скатываете шарик из глины или замазки и бросаете его в горшок, наполненный водой, он тонет. Но он плавает после того, как вы его расплющите и скрутите в форме чашки. (Попробуйте!) Что происходит?

Человек может легко плавать в Большом Соленом озере или Мертвом море.Почему это возможно?

Суда тонут не из-за воды вокруг них, а из-за воды внутри

«Суда тонут не из-за воды вокруг них, корабли тонут из-за воды, которая попадает в них»

Корабль — это парусное судно, которое движется по воде. Каждому кораблю предназначено путешествие, каким бы большим и глубоким ни был океан. Корабль должен пройти хорошее путешествие со всеми изменениями и трудностями, которые он испытывает на протяжении всего плавания по океану. Это во многом зависит от его конструкции и конструкции, принципов, на которых он основан, его состояния устойчивости, веса, с которым он движется, его устойчивости к быстрому восстановлению после трудностей и того, как он маневрирует с любым сопротивлением чему-либо. вместе реагируют на воды, ветры и раны, нанесенные окружающими предметами и условиями.

Каждый человек подобен кораблю, где жизнь, подобная океану, выдерживает долгое, сложное и невероятное путешествие. Успех этого путешествия зависит от того, путешествует ли человек по нему или сдается его весу, почти бесследно тоня. Человек сталкивается с теми же обстоятельствами, что и на корабле. Аналогичным образом, психическая конституция, набор связанных и взаимозависимых ценностей, здравомыслие и чувствительность, способность справляться с несчастьями, вызывающими трудности и страдания, способность вернуться в нормальное состояние и умение осторожно настойчиво продолжать свою деятельность, определяют, к чему насколько он или она может справиться с тонкостями жизни.

Положительные аспекты всех этих атрибутов основываются на мудрости, которая является предпосылкой для признания сущности любого материального или нематериального существования в мире и развивается как качество через опыт, знания и здравый смысл. Кроме того, мудрость помогает понять, правильно что-то или нет, человек начинает проявлять «честность», которая является добродетелью, и практикует то, что проповедует, и делает то, что считает правильным. Мудрость позволяет человеку стать «принципиальным человеком» не человеком, который понимает принцип, а человеком, который понимает, принимает и живет по принципу.

Честный и мудрый человек может понять ценность кармы в жизни. Качество честности и наличия сильных моральных принципов, основанных на хороших и основанных на опыте суждениях с присущей осведомленностью, помогает человеку определить сумму своих действий в этом рождении. После того, как действия установлены, человек сосредотачивается на своей производительности, чтобы постепенно выполнять эти действия и их части. Их система ценностей работает как иммунная система, которая обеспечивает сопротивление риску подвергнуться нападению или причинить вред физически, умственно или эмоционально.Поскольку это долгий и сложный путь, эта индивидуальность абсолютно необходима.

Например, есть рассказ о взрослом мужчине, обладающем такой индивидуальностью; и который ясно знает, что он хочет делать в своей жизни и в жизни. Он принимает мало решений в своей личной жизни: во-первых, он останется мужчиной-единственной женщиной, а во-вторых, у него не будет ребенка, на что у него есть две причины: во-первых, он считает своих родителей своей основной кармой. нужно очень хорошо о них заботиться.Ему не следует расширять свою карму, если ему приходится идти на компромисс в отношении своей основной кармы. Более того, он хочет избежать этической дилеммы, когда необходимо сделать трудный выбор между ребенком и родителями, поскольку он считает, что мы несем большую ответственность за то, кто существует, а не за то, кто может существовать. Он считает, что, поскольку его профессиональная жизнь будет очень сложной, ему лучше всего позаботиться только о своих родителях и жене.

Как и в его личной жизни, у его профессиональной жизни есть определенная цель.Он хочет быть писателем, но он также думает, что каждый человек должен основать свое предприятие, независимо от того, является ли этот человек его единственным сотрудником. Это важно для устойчивости всего человечества. Кроме того, человек может наслаждаться свободой, связанной с работой, достижением существующего ориентира, а также установлением и служением нового ориентира, необходимого для реализации мудрости и честности. Он твердо убежден в том, что нужно много работать, чтобы заработать каждую копейку. Независимо от того, что он зарабатывает, после регулярных расходов он копит на свой бизнес.Он недостаточно амбициозен, чтобы привлечь средства на рынке, так как считает письмо неотъемлемой частью своей кармы и находит «джитни чадар хо утна хи пара фаилане чахийе», что означает «предпринимать только то, на что у вас есть деньги или возможности. делай и не больше »лучший экономический принцип, поскольку долг — самая большая угроза человеческому благополучию.

Личная жизнь неразрывно связана с профессиональной, а карма всегда связана как с «людьми в вашей жизни», так и с «работой, которую вы делаете».Его профессиональная жизнь очень трудна, так как зарабатывать на писательстве — очень сложная задача, к тому же он прилагает усилия, чтобы основать свой бизнес. У него очень мало времени, чтобы проводить с семьей. В этом случае его семья требует ребенка, хотя до брака он все это сообщил своей жене и родителям, а когда они как-то приняли это, нынешние условия вынуждают их заставить его изменить свое решение. Он знает, что если он согласится, все изменится, и стабильность, которую он испытывает, пытаясь чего-то достичь, начнет исчезать.Ему ясно, в чем заключается его жизнь, он продолжает ее, не позволяя этой тяжести утопить себя.

Поскольку он самозанятый человек, получить письменные задания всегда сложно, но качество его письма помогает ему их выполнять. Он начинает зарабатывать такую ​​сумму, на которой мог бы сэкономить приличную сумму. На эту сумму он основывает свой бизнес-концерн — институт, обслуживающий кандидатов на определенные должности. Он хочет улучшить распространенные стандарты письма, однако он понимает, что люди не верят в основные улучшения.Он сталкивается с множеством недоброжелателей, исходящих от различных заинтересованных сторон, но он не перестает поступать правильно и продолжает обеспечивать необходимое качество письма, потому что именно для этого и предназначена работа там, где качество является единственным ключом к улучшению человеческого капитала.

Он придает первостепенное значение относительно нетронутому аппарату целостности, мудрости и кармы. Этот аппарат удерживает его от всего непродуктивного, происходящего вокруг него, он находится на пути к долгому жизненному пути, не возлагая этого бремени на кого-то другого и не показывая никакой зависимости от чего-либо.Стремясь осуществить то, что он решил, он наслаждается своей нулевой близостью к материализму с намерением, что, если он накопит в будущем значительное богатство, он передаст его заслуженным; забота о семье, точное исполнение своей кармы по отношению к родителям; и поставив оригинальную качественную работу. Он не позволяет тому, что его окружает, ни в коем случае не разбавлять его. Такой образ жизни заставляет его чувствовать настоящее счастье, удовлетворение и покой; превыше всего он уважает себя, потому что только он знает, кто он и что у него есть на самом деле.

Почему плывут круизные лайнеры?

Royal Caribbean управляет самыми большими круизными лайнерами в мире, и судно (если оно стоит вертикально), которое в два раза выше монумента Вашингтона, может заставить вас задуматься, как оно не тонет.

В «Симфонии морей» есть водные горки, ледовый каток и целый парк. Она может вместить до 6680 гостей и весит 228 081 тонну брутто (GT).

Были ли вы на круизном лайнере или просто видели его фотографию, вы могли задаться вопросом, как такое большое судно может плавать в воде.

Как плывет круизный лайнер? И почему он не падает, когда дует ветер?

Круизные лайнеры Royal Caribbean — это удивительные образцы технологий, морских традиций и инноваций, но они не волшебство. Все дело в физике.

Концепция плавучести — это то, что поддерживает круизное судно, такое как Symphony of the Seas, в вертикальном и плавучем состоянии.

Наука плавучести была открыта Архимедом в 246 г. до н.э., когда он разработал принцип Архимеда.

«Любой объект, полностью или частично погруженный в жидкость или жидкость, поднимается вверх силой, равной весу жидкости, вытесняемой этим объектом».

По сути, круизные лайнеры могут оставаться над водой, пока они вытесняют воду, равную своей массе.

Круизное судно вытесняет количество воды, эквивалентное его собственной массе. Давление моря давит на корпус судна, чтобы противостоять нисходящей силе массы корабля.В отличие от воздуха, воду нельзя сжать, поэтому объединенные силы создают плавучесть.

По мере того, как круизное судно движется вперед, вода отталкивается, и эта вода изо всех сил пытается вернуться, чтобы заполнить смещенное пространство, и эта энергия заставляет корабль подниматься вверх.

Хотя корабль действительно довольно тяжелый, на борту много открытого пространства, и этот пустой объем означает, что корабль не похож на гигантскую скалу в воде.

При проектировании круизного лайнера инженеры уделяют особое внимание тому, чтобы средняя плотность судна (учитывая как физический вес судна, так и весь воздух) была меньше средней плотности воды.

Океан огромен и чрезвычайно плотен. Итак, если круизный лайнер может иметь меньшую плотность, чем океан, он плавает на поверхности.

Если вы когда-нибудь встретите инженера, он часто будет говорить о водоизмещении корабля, а не о его весе. Корабли плавают, потому что они весят меньше веса вытесняемой ими воды.

Еще одна особенность такого корабля, как «Симфония морей», — это его широкий корпус. Такой выбор дизайна не случаен.

При проектировании кораблей класса Oasis инженеры выбрали широкий корпус, чтобы распределить по нему вес.

Думайте о корпусе как о корпусе корабля, а часть, которая находится под главной палубой, обычно довольно широкая и имеет глубокое дно (известное как базовая линия). Круизные лайнеры (и другие крупные суда) обычно имеют водоизмещающие корпуса или корпуса, которые отталкивают воду, чтобы оставаться на плаву.

Еще одно важное отличие круизного лайнера от лодки — это конструкция корпуса.

Лодки имеют «v-образный корпус», что означает, что если вы вынули их из воды и посмотрели вниз, то дно напоминает букву «v».Круизные лайнеры имеют корпус, напоминающий букву «u».

Корпус с круглым дном перемещается по воде и делает его намного более устойчивым и мореходным, чем корпус лодки с V-образной формой. В первую очередь, поэтому пассажиры круизных лайнеров гораздо меньше чувствуют раскачивание или движение по сравнению с лодкой.

Однако за стабильность приходится платить: скорость. Лодки движутся по воде намного быстрее, чем круизные лайнеры.

Итак, с учетом всего сказанного, я еще не рассмотрел , как круизный лайнер будет плавать.Почему всего 30 футов под водой и более 200 футов над водой, и как они удерживают верх вверх дном?

Это вопрос распределения веса.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *