Плавание судов и воздухоплавание

Слайд 1. Плавание судов и воздухоплавание

Как физика позволяет огромным кораблям и дирижаблям держаться на плаву и в небе

Слайд 2. Почему тела плавают?

Поведение тела в жидкости зависит от соотношения силы тяжести $F_{\text{тяж}}$ и силы Архимеда $F_A$:

Если $F_{\text{тяж}}>F_A$, тело тонет (плотность тела больше плотности жидкости).

Если $F_{\text{тяж}}=F_A$, тело плавает внутри или на поверхности.

Если $F_{\text{тяж}}<F_A$, тело всплывает до тех пор, пока силы не уравновесятся.

Главный секрет судов: их средняя плотность меньше плотности воды.

Слайд 3. Силы, действующие на судно

Когда корабль находится в воде, на него действуют две противоположные силы. Сила тяжести тянет его ко дну, а выталкивающая сила (сила Архимеда) выталкивает вверх. Корабль погружается ровно настолько, чтобы вес вытесненной им воды стал равен весу самого корабля с грузом.

Слайд 4. Основные понятия мореплавания

Осадка — глубина, на которую судно погружается в воду.

Ватерлиния — линия на корпусе, отмечающая максимально допустимую осадку.

Водоизмещение — вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии (равен весу судна).

Грузоподъемность — вес груза, который может перевезти судно.

Слайд 5. Река против Моря

Плотность речной воды около 1000 кг/м³. Чтобы создать достаточную выталкивающую силу, кораблю нужно вытеснить больший объем воды. Осадка будет глубже.

Плотность морской воды выше (1030 кг/м³). Выталкивающая сила больше при том же объеме, поэтому в море корабль «всплывает» выше, и его осадка уменьшается.

Слайд 6. Принцип воздухоплавания

Воздух, как и вода, создает выталкивающую силу. Закон Архимеда работает и здесь: на тело, находящееся в газе, действует сила, равная весу газа в объеме этого тела. Чтобы взлететь, общий вес аппарата должен быть меньше веса вытесненного воздуха.

Слайд 7. Газы для полетов

Чем меньше плотность газа внутри шара по сравнению с плотностью наружного воздуха, тем больше его подъемная сила. Гелий — самый популярный газ, так как он легкий и не горит.

Слайд 8. Как управляют воздушным шаром?

Включают горелку. Воздух внутри шара нагревается, его плотность падает, сила Архимеда становится больше силы тяжести.

Открывают специальный клапан в верхней части шара. Горячий воздух выходит, замещаясь холодным, и шар тяжелеет.

Для резкого подъема сбрасывают мешки с песком (балласт). Вес системы уменьшается, и шар устремляется вверх.

Слайд 9. Вопросы для обсуждения

Почему стальной гвоздь тонет, а стальной авианосец — нет?

Почему при переходе из реки в море корабль немного приподнимается?

Зачем стратостатам (шарам для больших высот) нужны огромные оболочки, заполненные лишь частично?

Может ли воздушный шар летать на Луне, где нет атмосферы?

Как изменится подъемная сила шара, если на улице станет очень холодно?

Слайд 10. Итоги занятия

Судно плавает, если вес вытесненной им воды равен весу судна с грузом.

Ватерлиния — критическая отметка безопасности погружения корабля.

Подъемная сила в воздухе возникает из-за разности плотностей газа в шаре и окружающего воздуха.

Для полета необходимо, чтобы сила Архимеда превышала общую силу тяжести аппарата.

Физика плавания судов и воздухоплавания основана на одном и том же законе Архимеда.