Інші завдання дивись тут...

§ 39. УМОВИ ПЛАВАННЯ ТІЛ.

Підводні апарати.

Водолазні костюми мають масу до і більше 50 кг (їх підошви роблять свинцевими, щоб збільшити вагу водолаза і надати йому більшої стійкості під час роботи у воді), завдяки значному об'єму костюма (виштовхувальна сила води зрівноважує майже всю його вагу), водолаз має можливість вільно пересуватися у воді, а користуючись аквалангом (його винайшов відомий дослідник морських глибин французький учений Жак-Ів Кусто), людина може довго перебувати у воді й вільно плавати.

Батисфера (з грец. батис - глибокий і сфера) - це дуже міцна сталева куля з ілюмінаторами (вікнами) з товстого скла, її опускають на сталевому тросі, усередині кулі перебувають дослідники для досліджень морів і океанів, які підтримують зв'язок з кораблем.

Батискаф (з грец. батис - глибокий; скафос - судно) не утримується на тросі, адже має власний двигун і може вільно переміщатися на великих глибинах (до 11 км) у будь-яких напрямах.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Сформулюйте умови плавання тіл.

На занурене в рідину тіло діють дві сили: сила тяжіння Fтяж = mg, напрямлена вертикально вниз, і архімедова сила РА = gρpVт напрямлена вертикально вгору (під дією цих сил тіло рухатиметься в бік більшої сили). При цьому можливі такі випадки:

а) якщо сила тяжіння менша від архімедової сили ( Fтяж<FA), то тіло спливатиме або на поверхні воно буде плавати, частково занурившись на глибину (достатньої для виникнення архімедової сили, що врівноважує вагу тіла);

б) якщо сила тяжіння дорівнює архімедовій силі (Fтяж = FA), то тіло буде в рівновазі в будь-якому місці рідини;

в) якщо сила тяжіння більша за архімедову силу (Fтяж > FА), то тіло потоне.

Умови плавання тіл виражені через густину рідини й зануреного тіла:

а) якщо густина суцільного тіла менша, ніж густина рідини (ρт < ρр), то тіло буде плавати на поверхні, частково занурившись у воду (сталевий брусок плаватиме у ртуті, оскільки густина сталі менша за густину ртуті; густина сосни приблизно вдвічі менша за густину води, тому соснова колода і плаває, занурившись у воду приблизно наполовину; густина льоду становить приблизно 0,9 від густини води, тому дев’ять десятих усього об’єму айсберга перебуває у воді і лише одна десята об’єму височіє над поверхнею води, тому айсберги дуже небезпечні для суден).

б) якщо густина суцільного тіла дорівнює густині рідини (ρт = ρр), то тіло плаває всередині рідини, часто спостерігатиметься етап байдужої (індиферентної) рівноваги, коли тіло може зависнути на будь-якій глибині (у водоймах це становить небезпеку для судноплавства через можливе зіткнення).

в) якщо густина суцільного тіла більша, ніж густина рідини (ρт > ρр), то тіло тонутиме (сталевий брусок тоне у воді, оскільки густина сталі більша за густину води)

2. У якому випадку тіло плаває, частково виступаючи над поверхнею рідини?

Якщо густина суцільного тіла менша, ніж густина рідини (ρт < ρр), то тіло буде плавати на поверхні, частково занурившись у воду (сталевий брусок плаватиме у ртуті, оскільки густина сталі менша за густину ртуті; густина сосни приблизно вдвічі менша за густину води, тому соснова колода і плаває, занурившись у воду приблизно наполовину; густина льоду становить приблизно 0,9 від густини води, тому дев’ять десятих усього об’єму айсберга перебуває у воді і лише одна десята об’єму височіє над поверхнею води, тому айсберги дуже небезпечні для суден).

3. У якій з рідин плаватиме лід: у гасі, воді чи спирті?

Густина льоду 900кг/м3. Оскільки густина гасу 800кг/м3 , води 1030кг/м3, спирту 800 кг/м3 , тіло плаватиме у воді.

4. Для чого використовують денсиметри (ареометри)?

Ареометри (з грец. араіос - рідкий і метрео - міряю), або денсиметри (з лат. денсус - густий і метрео - міряю) - прилади для вимірювання густини рідини за глибиною їх занурення (ґрунтується на явищі - тіло з меншою густиною, ніж деякі рідини, по-різному заглиблюється в них). 

Будова ареометра – це скляний поплавок у вигляді трубки з поділками й тягарем унизу, він занурюється в рідину тим глибше, чим менша густина рідини (також у нижній частині ареометра може бути термометр для вимірювання температури досліджуваної рідини). 

Денсиметрами можна виміряти густини рідин від 0,7 до 2,0 г/см3.

Денсиметри бувають для вимірювання густини рідин з меншою густиною, ніж вода (межі вимірювання 800 - 1000 кг/м3); з густиною рідин більших за густину, ніж вода (межі вимірювання 1000 - 2000 кг/м3); спиртометр (межі вимірювання: 0-95 %); лактометр (має позначки: «чисте молоко», «1/4 води», «1/3 води», «1/2 води»).

5. Чому тоне корабель, який отримав пробоїну?

Коли через пробоїну у відсік з порожнинами надійде вода, збільшиться маса судна (відповідно сила тяжіння переважує силу відштовхування) і судно занурюється глибше). 

6. Що таке осадка? Ватерлінія? Водотоннажність судна?

Плавання суден.

Коли тіло плаває, вага води, яку витискує підводна частина судна, дорівнює силі тяжіння, що діє на судно з вантажем. Хоч судна виготовлені з матеріалів, які мають густину, більшу за густину води, плавають тому, що частина судна (яка перебуває у воді), містить великі порожнини, унаслідок чого вона витісняє великий об’єм води (завдяки цьому й виникає велика виштовхувальна сила). Для безпеки підводну частину судна розбивають на відсіки: якщо у підводній частині борту судна з'явиться отвір (пробоїна), тоді водою заповниться тільки один або кілька відсіків, судно при цьому зануриться у воду глибше, але не потоне).

Осадка - глибина занурення судна на певну глибину.  Ватерлінія (з голланд. ватер - вода) - найбільш допустима осадка, яку позначають на корпусі судна червоною лінією. Також на суднах роблять інші позначки, наприклад визначають рівень занурення судна в різних морях і океанах (в різних місцях Світового океану густина води різна) та залежно від пори року (густина води залежить ще й від температури води, бо влітку густина менша, ніж узимку). 

Водотоннажність, або тоннажність - вага витиснутої судном води (вона дорівнює силі тяжіння, що діє на судно з вантажем), при його зануренні у воду (водотоннажність танкерів до 500000 т, оскільки Fтяж = 5 000 000 000 Н; водотоннажність океанського пасажирського лайнера — десятки тисяч тонн, а невеликої яхти — декілька тонн).

7. Хто вперше здійснив політ на повітряній кулі?

Понад 200 років відділяють нас від перших повітряних польотів людини. 5 травня 1783 р. відбулась перша прилюдна демонстрація польоту оболонки, наповненої гарячим повітрям. 21 листопада 1783 року французькі винахідники брати Жозеф і Етьєнн Монгольф'є здійснили перший політ повітроплавців. А через 10 днів французький фізик Жак Шарль помандрував у повітряному океані на аеростаті власної конструкції, оболонка якого була наповнена воднем - цей аеростат став прообразом дирижаблів.

8. Назвіть повітряні літальні апарати.

Повітряні кулі, стратостати, дирижаблі, зонди піднімаються вгору за рахунок того, що вони наповнені газами, які легші від повітря, і на них діє виштовхувальиа сила.

Повітроплавання. Виштовхувальна сила діє і у газах (вона дорівнює вазі газу в об'ємі тіла). Ця сила в повітрі діє на всі тіла, що перебувають у повітрі, але помітною виштовхувальна сила в повітрі стає лише тоді, коли вона дорівнює силі тяжіння (тіло плаває в повітрі) або більша за силу тяжіння (тіло злітає вгору). Виштовхувальна сила тримає повітряні кулі в повітрі, урівноважуючи силу тяжіння, тобто куля повинна мати великий розмір для виштовхувальної сили та малу масу для сили тяжіння (наповнюють газом з меншою густиною від повітря - гарячим повітрям, воднем або гелієм, парою - адже куля разом з корзиною та пасажирами мусить важити стільки ж, скільки й повітря того самого об’єму). 

Повітряні кулі ( наповнені гарячим повітрям підіймаються на невелику висоту – сотні метрів) використовують для атракціонів і наукових експедицій (перші повітряні кулі - монгольф’єри).

Повітряні кулі – зонди невеликі, діаметром 1–2 м (наповнені гелієм або воднем піднімаються на висоту до 35-40 км) використовують на метеорологічних станціях для дослідження верхніх шарів атмосфери, покази приладів на цих кулях передають сигнали по радіо (про висоту польоту, тиск, температуру повітря, за напрямом і швидкістю польоту кулі можна визначати напрям і силу вітру на різних висотах) для передбачення погоди ; їх використовували під час Першої та Другої світових воєн; нині використовують для транспортування нестандартних вантажів, особливо великогабаритних. 

Дирижабль - керований літальний апарат, легший від повітря, рухається за допомогою гвинтів, які обертаються двигунами, великим недоліком апаратів такого типу є те, що їх оболонка наповнюється воднем (цей газ вогненебезпечний), має величезні розміри (можна порівняти з розмірами кабіни для пілотів в нижній частині дирижабля).

Лабораторна робота № 10

З'ясування умов плавання тіла.

Мета роботи: на дослідах з'ясувати умови, за яких тіло плаває і за яких тоне.

Прилади і матеріали: терези, набір важків, вимірювальний циліндр або мензурка, пробірка, пробка з гачком, дротяний гачок, сухий пісок, паперові серветки.

Хід роботи

1. Насипте в пробірку стільки піску, щоб вона, закрита пробкою, плавала в мензурці з водою у вертикальному положенні й частина її була над поверхнею води.

2. Визначте виштовхувальну силу, що діє на пробірку (дорівнює вазі води, витісненої пробіркою). Щоб обчислити цю вагу, треба спочатку визначити об'єм витісненої води. Для цього позначте рівні води в мензурці до і після занурення пробірки у воду. Знаючи об'єм витісненої води й густину, обчисліть її вагу.

3. Вийміть пробірку з води, протріть її паперовою серветкою. Визначте на терезах масу пробірки з точністю до 1 г та обчисліть силу тяжіння, яка діє на неї. Вона дорівнює вазі пробірки з піском у повітрі.

4. Насипте в пробірку ще трохи піску. Знову визначте виштовхувальну силу й силу тяжіння. Повторюйте досипання, поки закрита пробкою пробірка не потоне.

5. Результати вимірювань і обчислень запишіть у таблицю. Зазначте, коли пробірка плаває і коли тоне.

6. Зробіть висновки про умови плавання тіл у рідині.

Для допитливих

1. Визначте, яка виштовхувальна сила діє на дерев'яний брусок, що вільно плаває на поверхні води. Порівняйте цю силу з вагою бруска.

2. Яка виштовхувальна сила діятиме на дерев'яний брусок, якщо його повністю занурити у воду? Що можна сказати про густину деревини, з якої виготовлено брусок, і густину води?

3. Зробіть підрахунки, вантаж якої маси може витримати брусок, залишаючись на поверхні води.

Інші завдання дивись тут...