Разработки уроков (конспекты уроков)

Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9)

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

Тема урока: Условия плавания тел.

Цели урока:

• Образовательные: научить анализировать, выделять (главное, существенное),
• приблизить к самостоятельному решению проблемных ситуаций.
• Развивающие: развивать интерес к конкретной деятельности на уроке,
• формировать умение сравнивать, классифицировать, обобщать факты и понятия.
• Воспитательные: создать атмосферу коллективного поиска, эмоциональной приподнятости, радости познания, радости преодоления трудностей.

Место урока в разделе: "Давление твердых тел, жидкостей и газов", после изучения темы "Давление жидкости и газа на погруженное в них тело. Архимедова сила".

Тип урока: Урок повторения предметных знаний.

Основные термины и понятия: масса, объём, плотность вещества, вес тела, сила тяжести, архимедова сила.

Межпредметные связи: математика

Наглядность: демонстрация поведения разных тел, погруженных в воду; условия плавания тела в зависимости от плотности.

Оборудование:

а) для демонстрации

• пластиковая банка c водой, три предмета на нити: алюминиевый цилиндр, пластиковый шарик, герметически закрытый пузырёк с водой (заранее приготовленный учителем), который может находиться в равновесии в любом месте жидкости;
• ванночка c водой, пластина алюминиевой фольги, пассатижи.

б) для фронтальной работы

• Весы с разновесами, измерительный цилиндр (мензурка), капсула-поплавок с крышкой (по 3), сухой песок, нитки, фильтровальная бумага, изолента, инструкции по выполнению заданий фронтального эксперимента, тетради для лабораторных работ.

Формы работы на уроке: фронтальная в парах, индивидуальная.

План урока

1. Организационный момент;
2. Первичная проверка понимания изученного ранее материала;
3. Практическая работа по проверке полученных выводов;
4. Рефлексия;
5. Домашнее задание.

Ход занятия

I. Организационный момент

Сегодня на уроке мы продолжим изучение поведения тел, погруженных в воду. Посмотрим несколько опытов, часть опытов вы будете проводить самостоятельно c выполнением некоторых расчетов.

II. Первичная проверка понимания изученного ранее материала

Опыт 1

Опускаем в воду последовательно алюминиевый цилиндр, шарик и пузырёк с водой. Наблюдаем поведение тел.

Результат: цилиндр тонет, шарик всплывает, пузырек плавает, погрузившись в воду полностью.

Проблемная ситуация: Почему? – (Соотношение сил, действующих на тело).

– На все тела в воде действуют две силы: сила тяжести, направленная вниз и выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх.

– Из правила сложения сил, действующих на тело вдоль одной прямой, следует: тонет, если F т ˃ F А; всплывает, если F т ˂ F А; плавает, если F т = F А.

III. Практическая работа по проверке полученных выводов

Проделаем эксперимент и проверим соотношение между силой тяжести и выталкивающей силой. (За основу берется лабораторная работа "Выяснение условий плавания тел в жидкости" – стр. 211 учебника).

Задание 1.

1. Наполните капсулу на 1/4 часть песком, определите на весах его массу в граммах. Переведите значение массы в кг и запишите в таблицу.
2. Опустите капсулу в воду и определите объём вытесненной воды в см3. Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения капсулы в воду. Запишите значение объёма в м3 в таблицу.

Р = F тяж = mg и F А = ρ ж gV т

Задание 2.

1. Наполните капсулу полностью песком, определите на весах его массу в граммах. Переведите значение массы в кг и запишите в таблицу.
2. Опустите капсулу в воду и определите объём вытесненной воды в см 3 . Для этого отметьте уровни воды в мензурке до и после погружения капсулы в воду. Запишите значение объёма в м 3 в таблицу.
3. Рассчитайте силу тяжести и архимедову силу по формулам:

Р = F тяж = mg и F А = ρ ж gV

Сравните архимедову силу с силой тяжести. Результаты вычислений занесите в таблицу и отметьте: капсула тонет или всплывает.

	Масса тела, m , кг	Сила тяжести, F тяж, Н	Объем вытес-ненной воды, V , м 3	Архимедова сила, F А, Н	Сравнение F тяж и F А	Поведение капсулы в воде
						всплывает

Задание 3.

1. Определите при каком соотношении силы тяжести и архимедовой силы капсула будет плавать в любом месте жидкости, полностью погрузившись в неё? Какое значение при этом будет иметь объём вытесненной капсулой воды?
2. Определите массу для плавающего тела (без вычисления).
3. Заполните капсулу песком до необходимой массы, затем опустите в воду и убедитесь на опыте в правильности ваших рассуждений.
4. Сделайте вывод об условии плавания тела в жидкости.

Опыт 2

Проверим условия плавания в зависимости от плотности вещества, из которого сделаны тела, и плотности жидкости. Для этого у нас есть ванночка c водой, пластина алюминиевой фольги, пассатижи.

1. Сгибая уголки, сделаем из пластины коробочку. Опустим на поверхность воды. Наблюдаем плавание коробочки на поверхности воды.
2. Вытащим коробочку из воды, вернём пластине плоский вид. сложим пластину вдвое, вчетверо и т.д. Пассатижами сожмём фольгу и опустим в воду.

Результат: пластина в виде коробочки плавает, в сжатом виде – тонет.

Проблемная ситуация: Почему? – (Соотношение плотностей тела и воды).

• плотность коробочки из алюминиевой фольги меньше плотности воды, а плотность сжатого комочка фольги больше плотности воды.
• Условия плавания тел: тонет, если ρ т ˃ ρ воды; всплывает, если ρ т ˂ ρ воды; плавает, если ρ т = ρ воды. (ρ алюм = 2700 кг/м 3 ; ρ воды = 1000 кг/м 3).

IV. Рефлексия

Опыт 3. Посмотрите и объясните действие прибора, изготовленного учеником по заданию к §52 (с.55 учебника). "Картезианский водолаз". Вместо прозрачного пузырька ученик использовал обычную пипетку.

Прибор позволяет продемонстрировать законы плавания тел.

V. Домашнее задание

§52; упр 27(3,5,6).

Самоанализ урока

Тема урока физики в 7 классе "Условия плавания тел". В классе 20 учеников. Из них основная часть имеет хорошую математическую подготовку. Ребята любознательные, активные. Хорошо работают в коллективе. Участвуют в подготовке оборудования к уроку.

Цель урока: заинтересовать учащихся, приблизить к самостоятельному решению проблемных ситуаций. В ходе урока ребята учатся самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения проблемы.

Тип урока – урок повторения предметных знаний – позволяет проверить полученные на предыдущем уроке знания и подготовиться к решению задач по теме на следующем уроке.

Выбранные этапы урока логически между собой связаны, происходит плавный переход от одного к другому. В течение урока учитель только направляет, корректирует действия учащихся, которые практически весь урок работают самостоятельно. Для экономии времени при выполнении практической части, учащиеся на дополнительных занятиях приготовили по две капсулы с песком, заполненные полностью и частично (задания 1 и 2), третья оставалась пустой. На уроке ребята научились делать выводы из эксперимента, активно обсуждали решение проблемных ситуаций. На завершающем этапе было ещё раз акцентировано внимание ребят на теме урока. Учителем прокомментировано домашнее задание и выставлены оценки за устные ответы, после урока проверены тетради по лабораторным работам.

Считаю, что цели урока достигнуты: ребята научились анализировать, выделять (главное, существенное), сравнивать, классифицировать, обобщать факты и понятия, находили решение проблемных ситуаций. На уроке была создана атмосфера коллективного поиска, эмоциональной приподнятости, радости познания, радости преодоления трудностей.

При приготовлении раствора соли определенной плотности хозяйки погружают в него сырое яйцо: если плотность раствора недостаточна, яйцо тонет, если достаточна — всплывает. Аналогично определяют плотность сахарного сиропа при консервации. из материала данного параграфа вы узнаете, когда тело плавает в жидкости или газе, когда всплывает и когда тонет.

Обосновываем условия плавания тел

Вы наверняка можете привести множество примеров плавания тел. Плавают корабли и лодки, деревянные игрушки и воздушные шарики, плавают рыбы, дельфины, другие существа. А от чего зависит способность тела плавать?

Проведем опыт. Возьмем небольшой сосуд с водой и несколько шариков, изготовленных из разных материалов. Будем поочередно погружать тела в воду, а потом отпускать их без начальной скорости. Далее в зависимости от плотности тела возможны разные варианты (см. таблицу).

Вариант 1. Погружение. Тело начинает тонуть и в конце концов опускается на дно сосуда. Выясним, почему это происходит. На тело действуют две силы:

Тело погружается, а это значит, что сила, направленная вниз, больше:

тело тонет в жидкости или газе, если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа.

Вариант 2. Плавание внутри жидкости. Тело не тонет и не всплывает, а остается плавать внутри жидкости.

Попробуйте доказать, что в данном случае плотность тела равна плотности жидкости:

тело плавает внутри жидкости или газа, если плотность тела равна плотности жидкости или газа.

Вариант 3. Всплытие. Тело начинает всплывать и в конце концов останавливается на поверхности жидкости, погрузившись в жидкость частично.

Пока тело всплывает, архимедова сила больше силы тяжести:

Остановка тела на поверхности жидкости означает, что архимедова сила и сила тяжести уравновешены: ^ тяж = F арх.

тело всплывает в жидкости или газе либо плавает на поверхности жидкости, если плотность тела меньше, чем плотность жидкости или газа.

Наблюдаем плавание тел в живой природе

Тела обитателей морей и рек содержат в своем составе много воды, поэтому их средняя плотность близка к плотности воды. Чтобы свободно двигаться в жидкости, они должны «управлять» средней плотностью своего тела. Приведем примеры.

У рыб с плавательным пузырем такое управление происходит за счет изменения объема пузыря (рис. 28.1).

Моллюск наутилус (рис. 28.2), обитающий в тропических морях, может быстро всплывать и снова опускаться на дно благодаря тому, что может менять объем внутренних полостей в организме (моллюск живет в закрученной спиралью раковине).

Распространенный в Европе водяной паук (рис. 28.3) несет с собой в глубину воздушную оболочку на брюшке — именно она дает ему запас плавучести и помогает вернуться на поверхность.

Учимся решать задачи

Задача. Медный шар массой 445 г имеет внутри полость объемом 450 см 3 . Будет ли этот шар плавать в воде?

Анализ физической проблемы. Чтобы ответить на вопрос, как поведет себя шар в воде, нужно плотность шара (шара) сравнить с плотностью

в °ды (воды) .

Для вычисления плотности шара следует определить его объем и массу. Масса воздуха в шаре незначительна по сравнению с массой меди, поэтому т шара = т меди. Объем шара — это объем медной оболочки У меди и объем полости V - . Объем медной оболочки можно определить, зная

массу и плотность меди.

О плотностях меди и воды узнаем из таблиц плотностей (с. 249).

Задачу целесообразно решать в представленных единицах.

2. Зная объем и массу шара, определим его плотность:

Анализ результата: плотность шара меньше плотности воды, поэтому шар будет плавать на поверхности воды.

Ответ: да, шар будет плавать на поверхности воды.

Подводим итоги

Тело тонет в жидкости или газе, если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа (р т >р ж)· Тело плавает внутри жидкости или газа, если плотность тела равна плотности жидкости или газа (т =р ж). Тело всплывает в жидкости или газе либо плавает на поверхности жидкости, если плотность тела меньше плотности жидкости или газа

Контрольные вопросы

1. При каком условии тело будет тонуть в жидкости или газе? Приведите примеры. 2. Какое условие нужно выполнить, чтобы тело плавало внутри жидкости или газа? Приведите примеры. 3. Сформулируйте условие, при котором тело, находящееся в жидкости или газе, всплывает. Приведите примеры. 4. При каком условии тело будет плавать на поверхности жидкости? 5. Для чего и как обитатели морей и рек изменяют свою плотность?

Упражнение № 28

1. Будет ли однородный свинцовый брусок плавать в ртути? в воде? в подсолнечном масле?

2. Расположите шарики, изображенные на рис. 1, в порядке увеличения плотности.

3. Будет ли брусок массой 120 г и объемом 150 см 3 плавать в воде?

4. По рис. 2 объясните, как подводная лодка осуществляет погружение и всплытие.

5. Тело плавает в керосине, полностью в него погрузившись. Определите массу тела, если его объем равен 250 см 3 .

6. В сосуд налили три жидкости, которые не смешиваются, — ртуть, воду, керосин (рис. 3). Затем в сосуд опустили три шарика: стальной, пенопластовый и дубовый.

Как расположились слои жидкостей в сосуде? Определите, где какой шарик. Ответы поясните.

7. Определите объем погруженной в воду части машины-амфибии, если на машину действует архимедова сила 140 кН. Какова масса машины-амфибии?

8. Составьте задачу, обратную задаче, рассмотренной в § 28, и решите ее.

9. Установите соответствие между плотностью тела, плавающего в воде, и частью этого тела, находящейся над поверхностью воды.

А р т = 400 кг/м 3 1 0

Б р т = 600 кг/м 3 2 °Д

В р т = 900 кг/м 3 3 0 , 4

Г р т = 1000 кг/м 3 4 0 , 6

10. Прибор для измерения плотности жидкостей называется ареометром. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте о строении ареометра и принципе его действия. Напишите инструкцию, как пользоваться ареометром.

11. Заполните таблицу. Считайте, что в каждом случае тело полностью погружено в жидкость.

Экспериментальное задание

«Картезианский водолаз». Сделайте физическую игрушку, идею которой придумал французский ученый Рене Декарт. В пластиковую банку, плотно закрывающуюся крышкой, налейте воду и поместите в нее отверстием вниз небольшую мензурку (или маленький пузырек из-под лекарства), частично заполненную водой (см. рисунок). Воды в мензурке должно быть столько, чтобы мензурка чуть выступала над поверхностью воды в банке. Плотно закройте банку и сожмите ее боковые стенки. Проследите за поведением мензурки. Объясните действие данного устройства.

ЛАБОРАТОРНАя РАБОТА № 10

Тема. Определение условий плавания тел.

Цель: опытным путем определить, при каком условии: тело плавает на поверхности жидкости; тело плавает внутри жидкости; тело тонет в жидкости.

Оборудование: пробирка (или небольшой пузырек из-под лекарства) с пробкой; нить (или проволока) длиной 20-25 см; емкость с сухим песком; измерительный цилиндр, до половины наполненный водой; весы с разновесами; бумажные салфетки.

указания к работе

Подготовка к эксперименту

1. Прежде чем приступить к выполнению работы, убедитесь, что вы знаете ответы на следующие вопросы.

1) Какие силы действуют на тело, погруженное в жидкость?

2) По какой формуле находят силу тяжести?

3) По какой формуле находят архимедову силу?

4) По какой формуле находят среднюю плотность тела?

2. Определите цену деления шкалы измерительного цилиндра.

3. Закрепите пробирку на нити так, чтобы, держа за нить, можно было погрузить пробирку в измерительный цилиндр, а затем вынуть ее.

4. Вспомните правила работы с весами и подготовьте весы к работе. Эксперимент

Строго соблюдайте инструкцию по безопасности (см. форзац). Результаты измерений сразу заносите в таблицу.

Опыт 1. Определение условия, при котором тело тонет в жидкости.

1) Измерьте объем воды V 1 в измерительном цилиндре.

2) Заполните пробирку песком. Закройте пробку.

3) Опустите пробирку в измерительный цилиндр. В результате пробирка должна оказаться на дне цилиндра.

4) Измерьте объем V 2 воды и пробирки; определите объем пробирки:

5) Вытащите пробирку, протрите ее салфеткой.

6) Положите пробирку на весы и измерьте ее массу с точностью до 0,5 г. Опыт 2. Определение условия, при котором тело плавает внутри жидкости.

1) Отсыпая песок из пробирки, добейтесь, чтобы пробирка свободно плавала внутри жидкости.

Опыт 3. Определение условия, при котором тело всплывает и плавает на поверхности жидкости.

1) Отсыпьте из пробирки еще некоторое количество песка. Убедитесь, что после полного погружения в жидкость пробирка всплывает на поверхность жидкости.

2) Повторите действия, описанные в пунктах 5-6 опыта 1.

Обработка результатов эксперимента

1. Для каждого опыта:

1) выполните схематический рисунок, на котором изобразите силы, действующие на пробирку;

2) вычислите среднюю плотность пробирки с песком.

2. Занесите в таблицу результаты вычислений; завершите ее заполнение.

Анализ эксперимента и его результатов

Проанализировав результаты, сделайте вывод, в котором укажите, при каком условии: 1) тело тонет в жидкости; 2) тело плавает внутри жидкости; 3) тело плавает на поверхности жидкости.

Творческое задание

Предложите два способа определения средней плотности яйца. Запишите план проведения каждого опыта.

Это материал учебника

На тело, погруженное в жидкость, кроме силы тяжести, действует выталкивающая сила - сила Архимеда. Жидкость давит на все грани тела, но давление это неодинаков. Ведь нижняя грань тела погружена в жидкость больше, чем верхняя, а давление с глубиной возрастает. То есть сила, действующая на нижнюю грань тела, будет больше, чем сила, действующая на верхнюю грань. Поэтому возникает сила, которая пытается вытолкнуть тело из жидкости.

Значение архимедовой силы зависит от плотности жидкости и объема той части тела, которая находится непосредственно в жидкости. Сила Архимеда действует не только в жидкостях, но и в газах.

Закон Архимеда : на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме тела. Для того чтобы рассчитать силу Архимеда, необходимо перемножить плотность жидкости, объем части тела, погруженное в жидкость, и постоянную величину g.

На тело, которое находится внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести и сила Архимеда. Под действием этих сил тело может двигаться. Существует три условия плавания тел:

Если сила тяжести больше архимедовой силы, тело будет тонуть, опускаться на дно.

Если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело может находиться в равновесии в любой точке жидкости, тело плавает внутри жидкости.

Если сила тяжести меньше архимедовой силы, тело будет всплывать, подниматься вверх.

Плавание тел на поверхности жидкости

В надводном положении на плавающее тело по оси OZ действуют две силы (рис.1.1).Это сила тяжести тела G и выталкивающая архимедова сила P z .

плавании, т.е. в погруженном состоянии . К основным понятиям теории плавания относятся следующие:

- плоскость плавания (I-I) - пересекающая тело плоскость свободной поверхности жидкости;

- ватерлиния – линия пересечения поверхности тела и плоскости плавания;

- осадка (y) – глубина погружения низшей точки тела. Наибольшая допустимая осадка судна отмечается на нём красной ватерлинией;

- водоизмещение – вес воды, вытесненный судном. Водоизмещение судна при полной нагрузке является его основной технической характеристикой;

Центр водоизмещения (точ. D, рис. 1.1) – центр тяжести водоизмещения, через который проходит линия действия выталкивающей архимедовой силы;

Ось плавания (О О ") – линия проходящая через центр тяжести С и центр водоизмещения D при равновесии тела.

Для сохранения равновесия ось плавления должна быть вертикальна. Если на плавающее судно в поперечном направлении действует внешняя сила, например сила давления ветра, то судно накренится, ось плавания повернётся относительно точки С и возникнет крутящий момент М к, вращающий судно относительно продольной оси против часовой стрелки (рис.1.2)

Остойчивость плавающего тела зависит от взаимного положения точек С и D. Если центр тяжести С находится ниже центра водоизмещения D, то при надводном плавании тело всегда остойчиво, так как возникающий при крене крутящий момент М к всегда направлен в сторону противоположную крену.

Если точка С находится выше точки D (рис.1.3), то плавающее тело может быть остойчивым и неостойчивым. Рассмотрим эти случаи подробнее.

При крене центр водоизмещения D смещается по горизонтали в сторону крена, так как один борт судна вытесняет больший объём воды, чем другой.

Тогда линия действия выталкивающей архимедовой силы P z пройдёт через новый центр водоизмещения D" и пересечётся с осью плавания ОО" в точке M, называемой метацентром. Для формулирования условия остойчивости обозначаем отрезок

M D 1 = b ,аСD 1 =∆ , где b - метацентрический радиус ; ∆- эксцентриситет .

Условие остойчивости: тело остойчиво, если его метацентрический радиус больше эксцентриситета, т.е. b > ∆.

Графическая интерпретация условия остойчивости представлена на рис. 1.3, из которого видно, что в случае а) b > ∆ и возникший крутящий момент направлен в сторону противоположную крену, а в случае б) имеем: b < ∆ и момент М к вращает тело в сторону крена, т.е. тело не остойчиво.

Водоизмещение корабля (судна) - количество воды, вытесненной подводной частью корпуса корабля (судна). Вес этого количества жидкости равен весу всего корабля, независимо от его размера, материала и формы.

Различают объёмное и массовое стандартное , нормальное , полное , наибольшее , порожнее водоизмещение.

Объёмное водоизмещение Ватерли́ния (нидерл. waterlinie ) - линия соприкосновения спокойной поверхности воды с корпусом плавающего судна. Также - в теории корабля элемент теоретического чертежа: сечение корпуса горизонтальной плоскостью.

Массовое водоизмещение

Стандартное водоизмещение

Нормальное водоизмещение

Полное водоизмещение

Наибольшее водоизмещение

Водоизмещение порожнем

Подводное водоизмещение

Надводное водоизмещение

Остойчивость плавающих тел

Остойчивостью плавающих тел называется их способность возвращаться в исходное положение после того, как они были выведены из этого положения вследствие воздействия каких-либо внешних сил.

Для придания плавающему телу остойчивости необходимо, чтобы при отклонении его из положения равновесия создавалась пара сил, которая и возвратит тело в первоначальное положение. Такая пара сил может создаваться только силами G и P п. Возможны три различных варианта взаимного расположения этих сил (рис.5.3).

Рис. 5.3. Остойчивость полупогруженных тел при взаимном расположении центра тяжести и центра водоизмещения а и б – остойчивое равновесие

Центр масс расположен ниже центра водоизмещения .При крене центр водоизмещения перемещается как за счет изменения положения тела, так и из-за изменения формы вытесненного объема. При этом возникает пара сил, стремящихся вернуть тело в первоначальное положение. Следовательно, тело имеет положительную остойчивость.

Центр масс совпадает с центром водоизмещения – тело будет иметь также положительную остойчивость вследствие смещения центра водоизмещения за счет изменения формы вытесненного объема.

Центр масс находится выше центра водоизмещения .Здесь имеются два основных варианта (рис. 5.4):

1) точка пересечения подъемной силы с осью плавания M (метацентр) лежит ниже центра масс – равновесие будет неостойчивым (рис. 5.4,а );

2) метацентр лежит выше центра масс – равновесие будет остойчивым (рис. 5.4,б ). Расстояние от метацентра до центра масс называетсяметацентрической высотой . Метацентр – точка пересечения подъемной силы с осью плавания. Если точка М лежит выше точки С , то метацентрическая высота считается положительной, если лежит ниже точки С – то она считается отрицательной.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

остойчивость тела в полупогруженном состоянии зависит от относительного расположения точек М и С (от метацентрической высоты);

тело будет остойчивым, если метацентрическая высота будет положительной, т.е. метацентр расположен выше центра тяжести. Практически все военные плавающие машины строятся с метацентрической высотой 0,3-1,5м.

Рис. 5.4. Остойчивость полупогруженных тел при взаимном расположении центра тяжести и метацентра:

а – неостойчивое равновесие; б – остойчивое равновесие

Водоизмещение корабля (судна) - количество воды, вытесненной подводной частью корпуса корабля (судна). Масса этого количества жидкости равна массе всего корабля, независимо от его размера, материала и формы.

Различают объёмное и массовое водоизмещение. По состоянию нагрузки корабля различают стандартное , нормальное , полное , наибольшее , порожнее водоизмещение.

Для подводных лодок различают подводное водоизмещение и надводное водоизмещение.

Объёмное водоизмещение

водоизмещение, равное объёму подводной части корабля (судна) до ватерлинии.

Массовое водоизмещение

водоизмещение, равное массе корабля (судна).

Стандартное водоизмещение

водоизмещение полностью укомплектованного корабля (судна) с экипажем, но без запасов топлива, смазочных материалов и питьевой воды в цистернах.

Нормальное водоизмещение

водоизмещение, равное стандартному водоизмещению плюс половинный запас топлива, смазочных материалов и питьевой воды в цистернах.

Полное водоизмещение

водоизмещение, равное стандартному водоизмещению плюс полные запасы топлива, смазочных материалов, питьевой воды в цистернах, груза.

Наибольшее водоизмещение

водоизмещение, равное стандартному водоизмещению плюс максимальные запасы топлива, смазочных материалов, питьевой воды в цистернах, грузов.

Водоизмещение порожнем)

водоизмещение порожнего корабля (судна), то есть корабля (судна) без экипажа, топлива, запасов и т. д.

Подводное водоизмещение

водоизмещение подводной лодки (батискафа) и иных подводных судов в подводном положении. Превышает надводное водоизмещение на массу воды, принимаемой при погружении в цистерны главного балласта.

Надводное водоизмещение

водоизмещение подводной лодки (батискафа) и иных подводных судов в положении на поверхности воды до погружения либо после всплытия.

Мы знаем, что на любое тело, находящееся в жидкости, действуют две силы, направленные в противоположные стороны: сила тяжести и архимедова сила. Сила тяжести равна весу тела и направлена вниз, архимедова же сила зависит от плотности жидкости и направлена вверх. Как физика объясняет плавание тел , и каковы условия плавания тел на поверхности и в толще воды?

Условие плавания тел

Согласно закону Архимеда условие плавания тел следующее: если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, то есть плавать в ее толще. Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости, то есть всплывать. В случае же, когда вес тела больше выталкивающей его архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, то есть тонуть. Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости. А вот будет тело плавать или тонуть зависит от плотности тела , так как его плотность увеличит его вес. Если плотность тела будет выше плотности воды, то тело утонет. Как же быть в таком случае?

Плотность сухого дерева за счет полостей, наполненных воздухом, меньше плотности воды и дерево может плавать на поверхности. А вот железо и многие другие вещества значительно плотнее воды. Как же возможно строить корабли из металла и перевозить различные грузы по воде в таком случае? А для этого человек придумал небольшую хитрость. Корпус корабля, который погружается в воду, делают объемным, а внутри этот корабль имеет большие полости, заполненные воздухом, которые сильно уменьшают общую плотность корабля. Объем вытесняемой кораблем воды, таким образом, сильно увеличивают, увеличивая выталкивающую его силу, а плотность корабля в сумме делают меньше плотности воды, дабы корабль мог плавать на поверхности. Поэтому каждый корабль имеет определенный предел массы грузов, который он может увезти. Это называется водоизмещением судна.

Различают порожнее водоизмещение - это масса самого судна, и полное водоизмещение - это порожнее водоизмещение плюс общая масса экипажа, всей оснастки, запасов, топлива и грузов, которую может нормально увезти данное судно без риска утонуть при относительно спокойной погоде.

Плотность тела у организмов, населяющих водную среду, близка к плотности воды. Благодаря этому они могут находиться в толще воды и плавать благодаря подаренным им природой приспособлениям - ластам, плавникам и пр. В передвижении рыб большую роль играет специальный орган - плавательный пузырь. Рыба может менять объем этого пузыря и количество воздуха в нем, благодаря чему ее суммарная плотность может меняться, и рыба может плавать на различной глубине, не испытывая неудобств.

Плотность человеческого тела немного больше плотности воды. Однако, человек, когда у него в легких содержится некоторое количество воздуха, тоже может спокойно держаться на поверхности воды. Если же ради эксперимента, находясь в воде, вы выдохните весь воздух из легких, вы медленно начнете опускаться на дно. Поэтому всегда помните, что плавать не страшно, опасно наглотаться воды и впустить ее в легкие, что и является наиболее частой причиной трагедий на воде.

Разрывающей силе давления жидкости противодействует сила сопротивления материала стенки М :

М=2σ р δ L,

где σр – напряжение материала на разрыв, δ – толщина стенки, L – длина трубы, 2 – сила сопротивления действует с двух сторон.

При условии, что система находится в равновесии, приравняем силы давления жидкости, и сопротивления материала стенки P x =М получим:

P Ld=2σ р δ L

P δ=2σр δ, отсюда

P=2σ р δ/ d.

Рис. 3.15. Давление жидкости на внутренние стенки трубы

3.8. Закон Архимеда и условия плавания тел

Тело, полностью или частично погруженное в жидкость, испытывает со стороны жидкости суммарное давление, направленное снизу вверх и равное весу жидкости в объеме погруженной части тела:

P = ρgWт .

Иначе говоря, на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме этого тела. Такая сила называется Архимедовой силой, а ее определение – законом Архимеда.

Рис. 3.17. Центр тяжести С и центр водоизмещения d судна

Для однородного тела плавающего на поверхности справедливо соотношение:

Wж /Wт = ρm / ρ,

где W т – объем плавающего тела; ρm – плотность тела. Отношение плотности плавающего тела и жидкости обратно пропорционально отношению объема тела и объема вытесненной им жидкости.

В теории плавания тел используются два понятия: плавучесть и остойчивость.

Плавучесть – это способность тела плавать в полупогруженном состоянии.

Остойчивость – способность плавающего тела восстанавливать нарушенное равновесие после устранения внешних сил (например, ветра или крутого поворота), вызывающих крен.

Вес жидкости, судна взятой в объеме погруженной части судна называют водоизмещением , а точку приложения равнодействующей давления (т.е. центр давления) –

центром водоизмещения.

На законе Архимеда основана теория плавания тел. Центр водоизмещения не всегда совпадает с центром тяжести тела С. Если он выше центра тяжести, то судно не опрокидывается. При нормальном положении судна центр тяжести С и центр водоизмещения d лежат на одной вертикальной прямой O"-O" , представляющей ось симметрии судна и называемой осью плавания (рис. 3.17).

Пусть под влиянием внешних сил судно наклонилось на некоторый угол α, часть судна KLM вышла из жидкости, а часть K"L"M" , наоборот, погрузилось в нее. При этом получаем новое положение центра водоизмещения – d" . Приложим к точке d" подъемную силу P и линию ее действия продолжим до пересечения с осью симметрии O"-O" . Полученная точка m называется метацентром , а отрезок mC = h

называется метацентрической высотой . Будем считать h

положительным, если точка m лежит выше точки C , и отрицательным – в противном случае.

Теперь рассмотрим условия равновесия судна: если h > 0, то судно возвращается в первоначальное положение; если h =0, то это случай