Судно
\(mg=\rho_{\text{воды}}gV_{\text{погр}}\) при свободном плавании.
Плавание судов. Воздухоплавание
Стальной лист тонет, но сделанная из него полая коробка может плавать. У коробки гораздо больше объём вытесненной воды при той же массе металла. Так устроен и корабль: средняя плотность корпуса вместе с внутренним пространством и грузом меньше плотности воды, а архимедова сила уравновешивает его общую силу тяжести.
Судно с грузом вытесняет воду, вес которой равен его общей силе тяжести. Глубину погружения судна называют осадкой. Грузовая ватерлиния отмечает допустимую осадку для предусмотренных условий плавания; на корпусе могут быть разные отметки для различных вод и сезонов. Увеличение груза увеличивает погружённый объём и осадку.
В используемом учебником определении водоизмещение — вес воды, вытесненной при погружении до ватерлинии. Грузоподъёмность находят вычитанием веса самого судна из этого водоизмещения: это максимальный вес перевозимого груза в принятой модели. Не следует смешивать ньютон как единицу веса с килограммом как единицей массы.
Воздушный шар, или аэростат, поднимается, если архимедова сила воздуха больше общей силы тяжести газа, оболочки, оборудования и груза. Его наполняют газом легче наружного воздуха — например, гелием, — или нагретым воздухом. Для равновесия силы равны; для спуска действие тяжести должно преобладать.
В модели неизменного объёма при подъёме плотность наружного воздуха уменьшается и FА = ρвоздVg становится меньше. Чтобы облегчить аппарат, сбрасывают балласт; выпуск газа с уменьшением объёма уменьшает выталкивание. В тепловом аэростате горелка регулирует температуру и плотность внутреннего воздуха: усиление нагрева облегчает подъём, охлаждение — спуск.
Стратостаты предназначены для больших высот и исследования атмосферы. Дирижабль — управляемый аэростат специальной формы с двигателем и воздушными винтами. Исторически многие дирижабли наполняли водородом; его пожароопасность и зависимость полётов от погоды ограничивали их применение.
Подъёмной силой шара здесь называют вес груза, который он способен удержать сверх собственного веса. Сначала находят FА, затем вычитают вес наполняющего газа, оболочки и остальных частей. В примере для 1 м³ водорода при ρвозд = 1,3 кг/м³, ρводорода = 0,09 кг/м³ и g ≈ 10 Н/кг: FА = 13 Н, вес газа 0,9 Н, остаток 12,1 Н. Из него ещё вычитают вес оболочки. Для гелия при ρ = 0,18 кг/м³ аналогичный остаток 11,2 Н.
Плавание корабля и подъём аэростата основаны на выталкивании покоящейся средой. У самолёта, вертолёта, воздушного змея, катера на подводных крыльях и водных лыж существенна другая причина — подъёмная сила при относительном движении среды и крыла или поверхности. Её не следует подменять архимедовой силой.
Судно плавает, когда тяжесть уравновешена выталкиванием; его полый корпус позволяет вытеснять много воды. Осадка — глубина погружения. Воздушный шар поднимается при превышении архимедовой силы над общей тяжестью.
Почему тяжёлые суда плавают?
Водонепроницаемый корпус с внутренними полостями вытесняет большой объём воды, и её вес может уравновесить вес всего судна с грузом. Важна средняя плотность всей конструкции, включая полости. Одной плотности стали для решения недостаточно.
Зачем наносят ватерлинию?
Грузовая отметка показывает допустимую осадку для заданных условий эксплуатации. Чрезмерная загрузка уменьшает запас плавучести и высоту борта, увеличивая риск затопления. Меньшая осадка у разгруженного судна сама по себе не является нарушением: допустимые состояния определяются конструкцией и правилами загрузки.
Что такое грузоподъёмность судна?
В используемом в параграфе определении — максимальный вес груза, который можно добавить к собственному весу судна до допустимого водоизмещения. При расчёте учитывают все составляющие нагрузки; массу в килограммах и вес в ньютонах не смешивают.
Как рассчитать подъёмную силу газового шара?
От веса вытесненного наружного воздуха вычитают вес газа и оболочки с оборудованием: \(F_{\text{под}}=(\rho_{\text{возд}}-\rho_{\text{газ}})gV-P_{\text{обол}}\). Это допустимый вес дополнительного груза в равновесии; для начала подъёма нужен положительный остаток после добавления груза.
Как меняется архимедова сила при подъёме шара?
При практически постоянном внешнем объёме \(F_A=\rho_{\text{возд}}gV\) уменьшается с падением плотности воздуха. Но у эластичного шара объём при подъёме может расти, как разобрано в упражнении 26.2. Поэтому без условия о постоянстве V нельзя утверждать обязательное уменьшение \(F_A\) только из-за высоты: необходимо сравнивать произведение \(\rho Vg\).
Как горелкой регулируют высоту теплового шара?
Нагрев уменьшает плотность воздуха внутри открытой снизу оболочки и его массу при данном объёме; общая тяжесть уменьшается относительно выталкивания, шар может начать подниматься. Остывание увеличивает массу внутреннего воздуха и способствует снижению. Равновесие вертикальных сил не обеспечивает неподвижность над одной земной точкой: ветер может переносить шар.
Выберите номер, чтобы открыть условие и пошаговое решение.
1 2 3 4 5 6 7 8Вопросы и опыты в тексте
Пример в тексте
Задание 35
Задали работу по теме параграфа?
Реферат, доклад или проект по параграфу: план, текст, таблицы и оформление по требованиям.
ВНИМАНИЕ: Представленные фрагменты из учебных материалов используются исключительно в научно-образовательных целях в объеме, оправданном поставленной целью.
Данное использование осуществляется в рамках, установленных законодательством об авторском праве (в частности, нормами о свободном использовании произведения для образовательных целей).
В соответствии с законодательством, автор и источник заимствования указаны для каждого используемого фрагмента.