عمل بحثي في ​​المدرسة الابتدائية حول موضوع "لماذا لا تغرق السفن؟" لماذا لا تغرق السفينة؟

كما تعلم، السفن مصنوعة من المعدن وهي ثقيلة جدًا. كما أن المسامير الحديدية تُصنع من المعدن؛ فهي خفيفة الوزن مقارنة بالسفن، لكنها مع ذلك تغوص في القاع. أ لماذا لا تغرق السفن؟

قانون أرخميدس في العمل. مفارقة أرخميدس

لتفسير هذه الظاهرة لا بد من فهم قانون أرخميدس: يتعرض الجسم المغمور في سائل (أو غاز) لقوة طفو تساوي وزن السائل (أو الغاز) في حجم الجسم.للتحقق من عمل قوة الطفو، يكفي أن تغمر نفسك في حوض استحمام مملوء حتى أسنانه. سيدفع الجسم بعض الماء إلى الأعلى وسوف ينسكب على الأرض. بمعنى آخر، عندما يغطس الجسم المادي في الماء، فإنه يفسح المجال لنفسه عن طريق دفع بعض الماء إلى الخارج. والماء بدوره يدفع الجسم إلى الأعلى. السفن ثقيلة جدًا، لكن أجسامها تحتوي على فراغات كبيرة ومتباعدة بشكل متساوٍ مملوءة بالهواء، وهو أخف من الماء. ونتيجة لذلك، فإن وزن الماء الذي تدفعه السفينة للخارج أكبر من وزنها. لذا فإن السفينة لن تغرق حتى تُثقل حمولتها وتصبح أثقل من الماء الذي تدفعه للخارج. بالمناسبة، تساعد الغرف الفارغة السفينة على عدم الغرق حتى مع وجود ثقب في الهيكل تحت مستوى الماء. هذا ممكن بسبب حقيقة أن هذه الفراغات مفصولة عن بعضها البعض بواسطة أقسام سميكة. حتى لو ملأ الماء تجويفًا واحدًا بالكامل، فإن الباقي سيبقى على نفس الحالة.

وهكذا، في حالة السفينة، فإن قوة الطفو تساوي وزن الماء في حجم ذلك الجزء من السفينة المغمور في الماء. وإذا كانت هذه القوة أكبر من وزن السفينة فإنها سوف تطفو. بالمناسبة، تنص مفارقة أرخميدس على أن الجسم يمكن أن يطفو في حجم من الماء أصغر من حجم الجسم نفسه إذا كان متوسط ​​كثافته أقل من كثافة الماء. مظهر من مظاهر هذه المفارقة هو أن الجسم الضخم (أي جهاز السباحة) يمكن أن يطفو في حجم من الماء أصغر بكثير من حجم الجسم نفسه.

مفاهيم النزوح وخط الماء

السفينة لا تغرق لأنها، على عكس المسمار، لها إزاحة. الإزاحة- هذه هي كمية (وزن أو حجم) الماء المزاح بواسطة الجزء الموجود تحت الماء من بدن السفينة. وكتلة هذه الكمية من الماء تساوي وزن الوعاء بأكمله، بغض النظر عن حجمه ومادته وشكله.

كما تعلمون، تم تصميم السفن لنقل الأشخاص والبضائع. إذا كانت فارغة، فإن وزنها ضئيل، وبالتالي "يستقر" أقل في البحر. سفينة محملة تغرق في عمق الماء. مع زيادة الحمل، فإن الغمر المفرط في الماء محفوف بالفيضانات - سوف تغرق السفينة تحت الماء وتغرق. لذلك، على الجسم هناك خط الماء -خط أفقي خاص على الجانب الخارجي من الجانب، تصل إليه المركبة المائية الكبيرة مغمورة في الماء عند المسودة العادية. وعادة ما يتم طلاء السفينة التي فوقها بلون واحد، وتحتها بلون آخر. إذا بدأ مستوى خط الماء في الغمر تحت الماء، فهذا يشير إلى أن السفينة محملة بشكل زائد أو أن هناك ثقبًا. من ناحية أخرى، لا ينبغي أن تكون السفينة الفارغة خفيفة للغاية، لأنه في هذه الحالة سيكون الجزء الموجود تحت الماء صغيرًا جدًا بالنسبة للسطح. وهذا الوضع خطير أيضًا: فالرياح والأمواج يمكن أن تنقلب القارب.

في الوقت الحاضر، هناك العديد من أجهزة الاستشعار لتحديد عمق الغوص. وخط الماء ليس سوى وسيلة مساعدة لتحديد صلاحية السفن وتشغيلها الصحيح.

وهكذا تم تصميم وبناء السفن الحديدية بحيث عندما تغمرها فإنها تزيح كمية من الماء يكون وزنها مساوياً لوزنها عند تحميلها.

تشبيه الكرة الحديدية

ويمكن للمرء أيضًا أن يتخيل تفسيرًا من وجهة نظر العلاقة الفيزيائية بين الكتلة والحجم والكثافة. الأجسام التي كثافتها أقل من كثافة الماء تطفو بحرية على سطحها. وكما هو معروف، فإن الكثافة تتناسب عكسيًا مع الحجم وتتناسب طرديًا مع الكتلة، كما تعكسها الصيغة ρ=m/v. وهذا هو، مع كتلة الجسم الثابتة، من أجل تقليل الكثافة، من الضروري زيادة حجمها بشكل متناسب. يمكن تمثيل البيان الأخير بالمثال التالي.

تغوص كرة حديدية في الماء لأنها ذات وزن كبير ولكن حجمها صغير. إذا تم تسطيح هذه الكرة إلى صفيحة رقيقة، وتم تحويل الصفيحة إلى كرة كبيرة ذات داخل فارغ، فلن يزيد الوزن، بل سيزيد الحجم بشكل كبير، ولهذا السبب ستطفو الكرة الحديدية.

ويوجد داخل السفينة العديد من الغرف الفارغة والمملوءة بالهواء، ومتوسط ​​كثافتها أقل بكثير من كثافة الماء. لذلك فإن الأمر خطير جدًا على السفينة إذا امتلأت الثقوب الموجودة فيها بالماء - الماء أثقل من الهواء - سيؤدي ذلك إلى اختلال التوازن بين وزن السفينة وحجمها - وستغرق.

ومن المثير للاهتمام أنه في الناقلات التي تحمل النفط لا توجد غرف فارغة تقريبًا بها هواء، لأن كثافة الزيت نفسه أقل من كثافة الماء. وينطبق الشيء نفسه على شاحنات الأخشاب. ولذلك، يتم تحميل الصهاريج وناقلات الأخشاب إلى أقصى طاقتها بحيث لا تكون هناك حاجة للهواء. وتحتاج السفن مثل ناقلات البضائع السائبة التي تحمل المعادن وخام الحديد إلى مساحة فارغة كبيرة.

في الرسم البياني: 1 - القوى التي لإبقاء السفينة طافية؛ 2- ضغط الماء على متن السفينة.

وبالتالي، فإن تأثير قوة الطفو يعتمد، أولاً، على حجم المركبة، وثانيًا، على كثافة الماء الذي تطفو فيه السفينة.

وكلما زادت هذه القوة كلما زاد حجم الجسم المغمور.

بعد الفيزياء - القليل من الشعر

السفينة والأمواج

هناك عاصفة في البحر، الموجة التاسعة
وتصطدم الأمواج بالسفينة.

سبح لنفسه ، لا يعرف المشاكل ،
وسرعان ما اشتعلت الأمواج.

لحظة أخرى، واثنين -
وليس هناك سوى الماء في السفينة.

نزل تدريجيا
واختفى في البحر وغرق..

وهبت الريح لفترة طويلة ،
وأخرج غضب الطبيعة.

ولكن في النهاية هدأت الأمواج
أصبحت الطبيعة سعيدة مرة أخرى.

لكن الناس لن يضحكوا بعد الآن
قلوبهم لم تعد تنبض..

كل شيء هادئ، ناعم مثل المرايا،
لكن لا يوجد بشر ولا سفينة...

/ ل. ش.، 1991/

هل تستطيع السفن الطيران؟

تسافر الحوامات على الماء، لكنها لا تغوص مثل السفن العادية. وهي تطفو على طبقة من الهواء ترفع السفينة فوق سطح الماء. مثل هذه السفينة يمكن أن تتحرك ليس فقط على الماء، ولكن أيضا على الأرض.

كيف تغرق الغواصات وتطفو على السطح

تحتوي الغواصة على خزانات خاصة يتم ملؤها بالماء عند غمرها. يزداد وزن القارب، فيصبح أثقل من الماء ويغرق. عند الصعود، يمتلئ الخزان بالهواء، مما يؤدي إلى إزاحة الماء. يظهر هذا بشكل تخطيطي في الشكل أعلاه.

تم اختراع بدلة الغوص الخرقاء هذه منذ أكثر من 200 عام. يأتي هواء الغواص من السطح عبر خرطوم طويل.

وهكذا، وبفضل الهواء الذي هو أخف من الماء، يمكن التحكم في غمر الأجسام في الماء. حركة الغواصات تقوم على هذا المبدأ ولهذا السبب لا تغرق السفن.

وهي أثقل من الماء، ويتم بناء المناطيد والبالونات التي يمكنها أن تطفو في الهواء. سترة النجاة منتفخة بحيث تساعد الإنسان على البقاء على الماء.

لماذا تطفو الأشياء؟

إذا غمرت جسمًا في الماء، فسوف يزيح بعض الماء. ويأخذ الجسم المكان الذي كان فيه الماء، فيرتفع منسوب الماء. وفقًا للأسطورة، خمن عالم يوناني قديم (287 - 212 قبل الميلاد)، أثناء وجوده في الحمام، أن الجسم المغمور يزيح كمية متساوية من الماء. يصور نقش من العصور الوسطى أرخميدس وهو يقوم باكتشافه. تسمى القوة التي يدفع بها الماء الجسم المغمور قوة الطفو. وعندما يساوي وزن الجسم، يطفو الجسم ولا يغرق. فيكون وزن الجسم مساويًا لوزن الماء المزاح به. البطة البلاستيكية خفيفة جدًا، لذا فإن قوة الدفع الصغيرة تكفي لإبقائها على السطح. تعتمد القوة الهبوطية (وزن الجسم) على كثافة الجسم. الكثافة هي نسبة كتلة الجسم إلى حجمه. الكرة الفولاذية أثقل من تفاحة من نفس الحجم لأنها أكثر كثافة. تمتلئ جزيئات المادة الموجودة في الكرة بكثافة أكبر. يمكن للتفاحة أن تطفو في الماء، لكن الكرة الفولاذية تغوص.

لمنع الجسم من الغرق، يجب أن تكون كثافته أقل من كثافة الماء. وبخلاف ذلك، فإن دفع الماء للخارج لا يكفي لإبقاء الجسم على السطح. الكثافة النسبية للجسم هي كثافته بالنسبة إلى كثافة الماء. الكثافة النسبية للماء تساوي واحدًا، مما يعني أنه إذا كانت الكثافة النسبية لجسم أكبر من 1 فإنه يغرق، وإذا كانت أقل يطفو.

قانون أرخميدس

ينص قانون أرخميدس على أن قوة الطفو تساوي وزن السائل المزاح بواسطة الجسم المغمور فيه. فإذا كانت قوة الطفو أقل من وزن الجسم فإنه يغوص، وإذا كانت مساوية لوزن الجسم فإنه يطفو.

كيف تبحر السفن

في هذه الأيام، تُصنع السفن من الفولاذ، وهو أكثر كثافة بـ 8 مرات من الماء. السفن لا تغرق لأن كثافتها الإجمالية أقل من كثافة الماء. السفينة ليست قطعة صلبة من الفولاذ (المزيد عن الفولاذ في المقالة ""). تحتوي على العديد من التجاويف، لذلك يتوزع وزنها على مساحة كبيرة، مما يؤدي إلى انخفاض الكثافة الكلية. تعد سفينة Sea Giant واحدة من أكبر السفن في العالم، حيث يصل وزنها إلى 564.733 طنًا. ونظرًا لحجمها الكبير، فإن قوة الطفو لها عالية جدًا.

إذا كنت تريد أن ترى كيف تعمل قوة الطفو، قم بإسقاط كرة من الطين في وعاء من الماء. سوف يغرق وسيرتفع منسوب المياه. حدد مستوى الماء الجديد باستخدام قلم فلوماستر. الآن اصنع قاربًا من نفس الطين وقم بخفضه بعناية في الماء. كما ترون، ارتفعت المياه أعلى من ذلك. يزيح القارب كمية من الماء أكبر من الكرة، مما يعني أن قوة الطفو أكبر.

خطوط التحميل

خطوط التحميل هي خطوط مرسومة على جانب السفينة. إنها توضح مقدار البضائع التي يمكن أن تحملها السفينة في ظل ظروف معينة. لذا، بما أن الماء البارد أكثر كثافة من الماء الدافئ، فإنه يدفع السفينة بقوة أكبر. وهذا يعني أن السفينة يمكن أن تستوعب المزيد من البضائع. المياه المالحة أكثر كثافة من المياه العذبة، لذلك يجب تحميل السفينة بشكل أقل في المياه العذبة. طوابع الشحن اخترعها صامويل بليمسول (1824-1898). عندما يتم غمر السفينة في الماء حتى الخط المناسب (انظر الشكل)، فإنها تعتبر محملة بالكامل. معنى رموز الحروف: TF - المياه العذبة الاستوائية، SF - المياه العذبة في الصيف، T - المياه المالحة الاستوائية، S - المياه المالحة في الصيف، W - المياه المالحة في الشتاء، WNA - الشمال. الأطلسي في الشتاء.

الطيران

يمكن للأجسام أن تطير لنفس الأسباب التي تجعلها تطفو في الماء. يتم التصرف عليها من خلال قوة الهواء التي تدفع للخارج. كثافة الهواء منخفضة جدًا لدرجة أن عددًا قليلًا جدًا من الأجسام يمكنها أن تطفو فيه. وهي، على سبيل المثال، أسطوانات بها هواء ساخن، وهو أقل كثافة من الهواء البارد. يمكن أيضًا ملء البالونات بالهيليوم أو الغازات الأخرى الأخف من الهواء.

السفن والقوارب

ذات مرة، كانت القوارب والسفن تطفو، طاعة لقوة الريح أو القوة العضلية للإنسان. سمح الإنشاء لبناة السفن باستخدام المراوح لدفع السفينة عبر الماء. في الآونة الأخيرة، ظهرت القارب المحلق. كانت بريطانيا العظمى (التي بنيت عام 1843) أول سفينة حديدية مزودة بمروحة. كان مدعومًا بمحرك بخاري. كما تم تجهيز السفينة بأشرعة. تحمل سفن الحاويات البضائع في صناديق معدنية كبيرة. يمكن تحميلها بسرعة على السفينة وتفريغها مرة أخرى باستخدام الرافعات. يمكن لسفينة واحدة أن تستوعب ما يصل إلى 2000 حاوية. تقوم الناقلات أيضًا بنقل السوائل الأخرى في صهاريج موجودة في عنابرها. بعض الناقلات أطول 20 مرة من ملعب التنس.

فولكوف الكسندر

يهدف هذا العمل البحثي لطالب الصف الأول إلى فهم سبب عدم غرق السفينة.

تحميل:

معاينة:

لجنة التعليم

.

إدارة منطقة المدينة "مدينة كالينينغراد"

ماو ليسيوم رقم 17

المؤتمر العلمي والعملي لطلاب الليسيوم

"الإدراك والإبداع"

"لماذا لا تغرق السفينة؟"

بحث

فولكوف ألكسندر،

طالب في الصف الأول "ب".

ماو ليسيوم رقم 17

كالينينغراد

مشرف

سكيبيتس تاتيانا فلاديميروفنا

كالينينغراد، 2014

هدف : فهم لماذا لا تغرق السفينة.

مهام :

1. معرفة الأشياء التي تغرق والتي لا تغرق،
2. معرفة ما هي الكثافة
3. اكتشف ما هي قوة طفو المواد،
4. تعرف على الشروط اللازمة لإبحار السفن.

طرق البحث: التجربة والملاحظة.

أهمية عملية: ستسمح لك نتائج الدراسة بمعرفة المزيد عن العالم من حولك والمساعدة في الحياة اليومية

لقد لاحظت ذات مرة أن بعض الأشياء تغوص في الماء، والبعض الآخر لا يغرق. على سبيل المثال، الحجر الذي تم إلقاؤه في الماء سوف يغرق على الفور إلى القاع، ولكن قطعة من الخشب سوف تطفو، أو سوف يغرق مسمار صغير، ولكن سفينة ضخمة لن تطفو. تساءلت لماذا كان هذا يحدث.

1. هل سيغرق أم لا؟

لمعرفة أي الأشياء تغوص وأيها لا تغوص، دعونا نجري تجربة.

التجربة رقم 1 "هل ستغرق أم لا؟"

سوف نحتاج : حاوية بها ماء، والأشياء المراد اختبارها.

التقدم المحرز في التجربة: ننزل عناصر الاختبار واحدة تلو الأخرى في وعاء من الماء ونلاحظ ما يحدث.

خاتمة: هناك أجسام أثقل من الماء فتغوص، وهناك أجسام أخف من الماء فتطفو.

1. كثافة المواد.

كثافة المادة هي القيمة التي توضح مقدار الكتلة الموجودة في وحدة حجم مادة معينة.

دعونا نتخيل كيلوغراما من الصوف القطني. وعلى الفور ستظهر أمام عينيك كتلة كبيرة إلى حد ما. يبدو كيلوغرام من الحديد مضغوطًا تمامًا. لماذا تمتلك هذه الأجسام أحجامًا مختلفة؟ إنها مسألة كثافة المادة.

تتكون جميع المواد من كرات صغيرة - الذرات ومركباتها - الجزيئات. كلما اقتربت الذرات من بعضها البعض، زادت كثافة المادة.

ستوضح لنا التجربة التالية أن كثافة المواد يمكن أن تتغير.

التجربة رقم 2: "كثافة الماء"

سوف نحتاج : كوب من الماء النظيف (جزئي)، بيضة نيئة وملح.

التقدم المحرز في التجربة: ضع بيضة في كوب، إذا كانت البيضة طازجة، فسوف تغوص في القاع.

الآن صب الملح بعناية في الكوب وشاهد البيضة تبدأ في الطفو.

لماذا يحدث هذا؟ يوجد في البيضة جيب هوائي، وعندما تتغير كثافة السائل تطفو البيضة على السطح مثل الغواصة.

خاتمة: باستخدام الملح قمنا بتغيير كثافة الماء. الملح المذاب في الماء: اختلطت جزيئات الماء والملح وأصبحت كثافة الماء أعلى من كثافة البيضة⇐ طفت البيضة على السطح.

يمكننا أيضًا استخلاص نتيجة حول ظروف طفو الأجسام:

1. إذا كانت كثافة الجسم تساوي كثافة السائل، فإن الجسم يطفو على أي عمق في السائل.
2. إذا كانت كثافة الجسم أكبر من كثافة السائل، فإن الجسم يغوص في السائل.
3. إذا كانت كثافة الجسم أقل من كثافة السائل فإن الجسم يطفو.

1. قانون أرخميدس أو قوة طفو الماء.

يتعرض الجسم المغمور كليًا أو جزئيًا في سائل لقوة طفو موجهة رأسيًا إلى الأعلى وتساوي وزن السائل المزاح بواسطة الجسم.

وتجدر الإشارة إلى أن الجسم يجب أن يكون محاطًا بالكامل بالسائل (أو يتقاطع مع سطح السائل). لذلك، على سبيل المثال، لا يمكن تطبيق قانون أرخميدس على مكعب يقع في قاع الحاوية، ويلامس القاع بإحكام.

دعونا نفعل تجربة أخرى.

التجربة رقم 3 "الطفو يعتمد على الشكل"

سوف نحتاج : حاوية بالماء، البلاستيسين.

التقدم المحرز في التجربة: ضع قطعة من البلاستيسين في وعاء من الماء. نلاحظ النتيجة: غرق البلاستيسين.

لنأخذ نفس قطعة البلاستيسين من الماء ونعطيها شكلاً مختلفًا. الآن دعونا نضع البلاستيسين في الماء مرة أخرى. ماذا حدث؟ يطفو البلاستيسين.

لماذا حصل هذا؟ أعطينا البلاستيسين الشكل المطلوب وأصبح متوسط ​​كثافة قارب البلاستيسين (البلاستيسين + الهواء) أقل من كثافة الماء ⇒ يطفو البلاستيسين.

خاتمة: الأجسام التي تتشكل، مهما كانت كثافتها، ستبقى طافية على سطح الماء.

1. كيف يتم بناء السفن؟

أثناء عملي البحثي، اكتشفت أن الجسم سوف يطفو إذا كان متوسط ​​كثافة جميع مكونات الجسم أقل من كثافة السائل. قررت أن أحاول صنع نموذجي الخاص للسفينة ومعرفة ما إذا كانت ستطفو على الماء.

التجربة رقم 4 "السفينة تطفو!"

سوف نحتاج : حاوية المياه، سفينة محلية الصنع.

التقدم المحرز في التجربة: ننزل سفينة محلية الصنع في حوض من الماء. دعونا نرى ما سيحدث.

لذلك، لبناء مركبة عائمة، عليك أن تعرف: يجب أن تقوم المركبة العائمة بإزاحة أكبر قدر ممكن من الماء بقاعها؛ لا بد من مراعاة كثافة المادة التي يصنع منها القارب (جميع المواد الأقل كثافة من الماء تطفو على سطحه)؛ يجب عدم السماح للماء بالدخول إلى داخل السفينة وإلا غرقت.

خاتمة: السفينة الفولاذية لا تغرق لأنها تزيح كمية كبيرة من الماء. ونعلم أنه كلما أزاح الجسم الماء أكثر، كلما دفعه للخارج. (أرخميدس)

في سياق عملي البحثي، تعلمت الكثير عن بنية الأجسام، والكثافة، والطفو.

الاستنتاجات:

1. وبناء على الدراسة يمكن أن نستنتج أن السفن لا تغرق لأنها تتأثر بقوة الطفو (قانون أرخميدس)
2. ستظل السفينة طافية طالما أن وزنها أقل من أو يساوي وزن السائل الذي تزيحه. يمكن أن تغرق السفينة إذا دخل الماء إلى داخلها (على سبيل المثال، من خلال ثقب)، مما يؤدي إلى إزاحة الهواء، ويصبح متوسط ​​كثافة السفينة أكبر من كثافة الماء
3. تعتمد قوة الطفو على كثافة السائل. وبالتالي، في البحر، حيث تكون المياه مالحة (ذات كثافة أكبر)، تكون قوة الطفو المؤثرة على السفينة أكبر منها في النهر أو البحيرة، حيث تكون المياه عذبة.

ساعد دينيس زيلينوف في إجراء ذلك. 10 سنوات.

في الصيف، سبح دينيس على قناة Volga-Don. شاهدت السفن الكبيرة وهي تسير على طول القناة، وهي ترتفع وتهبط في غرفة الهويس. وفكرت: ما الذي يسمح لهم ليس فقط بالطفو على الماء، ولكن أيضًا بنقل الأحمال الثقيلة؟

لماذا تستطيع السفن السير على الماء؟

هناك عدة أسباب.

1. الكثافة

الخبرة 1

نعلم جميعًا أنه إذا ألقيت لوحًا خشبيًا في الماء، فسوف يقع على سطحه، لكن الصفائح المعدنية من نفس الحجم تبدأ على الفور في الغرق.

لماذا يحدث هذا؟ ولا يتم تحديد ذلك من خلال وزن الجسم، ولكن من خلال كثافته. الكثافة هي كتلة المادة الموجودة في حجم معين.

الخبرة 2

أخذنا مكعبات من نفس الحجم 70x40x50 ملم من مواد مختلفة - المعدن والخشب والحجر والرغوة وقمنا بوزنها. ورأوا أن المكعبات لها أوزان مختلفة، وبالتالي كثافات مختلفة.

وزن المكعب من:

• الحجر – 264 جرام.
• رغوة البوليسترين - 3 جم،
• معدن - 1020 جرام،
• الخشب - 70 جرام.

ومن هذا استنتجوا أن المادة الأكثر كثافة بين المكعبات هي المعدن، يليه الحجر والخشب والرغوة.

الخبرة 3

ماذا يحدث لو تم وضع هذه المكعبات في الماء؟ كما يتبين من التجربة، فإن الحجر والمعدن يغوصان - كثافتهما أكبر من كثافة الماء، لكن الرغوة والخشب لا - كثافتهما أقل من كثافة الماء. وهذا يعني أن أي جسم سوف يطفو إذا كانت كثافته أقل من كثافة الماء.

ولذلك، لكي تطفو السفينة على الماء، يجب أن تكون مصنوعة بحيث تكون كثافتها أقل من كثافة الماء. لنفترض أننا نصنعها من مادة ذات كثافة أقل من كثافة الماء ولا تغرق - على سبيل المثال، من الخشب. نعلم من التاريخ أن الناس صنعوا الأطواف أولاً ثم القوارب من الخشب، باستخدام خاصية الخشب - الطفو.

نرى اليوم العديد من السفن المصنوعة من المعدن، لكنها لا تغرق. والسبب هو أن أجسادهم مليئة بالهواء. الهواء مادة أقل كثافة بكثير من الماء. تطور السفينة كما لو كانت كثافة إجمالية إجمالية للهواء والمعادن. ونتيجة لذلك، يصبح متوسط ​​كثافة السفينة، مع حجم الهواء الضخم الموجود في بدنها، أقل من كثافة الماء. ولهذا السبب لا تغرق السفينة الثقيلة. دعونا نؤكد ذلك بالتجربة.

الخبرة 4

دعونا نخفض لوحًا مسطحًا من المعدن في الماء - يغرق على الفور، لكن أي سفينة ذات جوانب تظل طافية - يتشكل فيها احتياطي من الطفو. يمكنك حتى وضع حمولة هناك.

تعمل أيضًا معدات إنقاذ الحياة: سترة أو دائرة يرتديها الشخص. وبمساعدتهم، من الممكن البقاء واقفا على قدميه حتى وصول رجال الإنقاذ.

2. قوة الطفو

بالإضافة إلى ذلك، تؤثر قوة الطفو على الجسم المغمور في الماء. في الشكل نرى أن قوى الضغط تؤثر على الجسم من جميع الجهات:

القوى المؤثرة في الاتجاه الأفقي، أي. على متن السفينة، يعوض كل منهما الآخر. الضغط على السطح السفلي - في الأسفل - يفوق الضغط من الأعلى. ونتيجة لذلك، تنشأ قوة الطفو إلى الأعلى.

وهذا واضح من التجربة التالية.

الخبرة 5

كرة بداخلها هواء، مغمورة في الماء، تطير إلى أعلى منها بقوة.

يعمل هذا على الكرة كقوة طفو (قوة أرخميدس). وهو ما يبقي السفينة طافية ويسمح للسفينة بالطفو.

1-قوات الصيانة؛ 2-ضغط الماء على متن السفينة

على ماذا يعتمد عمل قوة الطفو؟

أولاً- وهذا يعتمد على حجم السفينة والثاني - على كثافة الماء الذي تطفو فيه السفينة. وكلما زادت هذه القوة كلما زاد حجم الجسم المغمور. دعونا نتحقق من ذلك بالخبرة.

الخبرة 6

نضع وزنًا صغيرًا على لوح عائم فيغرق. لكن حجم القارب القابل للنفخ أكبر بكثير، ويمكنه أيضًا دعم العديد من الأشخاص.

ثانية- تتغير قوة الطفو مع زيادة كثافة الماء. يمكن زيادة كثافة الماء عن طريق تمليحه كثيرًا جدًا.

دعونا نثبت ذلك من خلال التجربة التالية.

منذ بداية بناء السفن، بذل الناس الكثير من الجهد في محاولة إنشاء سفن لا تغرق. كانت السفن الخشبية الأولى أخف من الماء. لكن تطور العلم ومعرفة قوانين الفيزياء جعل من الممكن بناء السفن الفولاذية وحتى الخرسانية المسلحة.

تم بناء السفن الخرسانية المسلحة في أمريكا الشمالية في النصف الأول من القرن العشرين، عندما كان هناك نقص في الفولاذ خلال الحربين العالميتين.

قوانين الفيزياء تساعد السفينة على عدم الغرق

يتم تحديد طفو السفينة بموجب قانون أرخميدس: يدفع السائل الجسم بقوة تساوي وزن السائل في حجم جزء الجسم المغمور فيه. الحيلة الرئيسية هنا هي الحجم - فكلما زاد حجم السفينة، زادت سماكة جوانبها المعدنية وزادت الحمولة الإضافية التي يمكن أن تحملها على متنها بينما تظل واقفة على قدميها. يحدث هذا لأن الحجم الداخلي الرئيسي للسفينة مملوء بالهواء، وهو أخف بمقدار 825 مرة من الماء. فالهواء هو الذي يمنح السفينة القدرة على الطفو.

وباستخدام نفس المبدأ، يمكن للغواصات أن تغوص وتطفو على السطح - فعند غمرها، تمتلئ خزانات الصابورة بالمياه، ويفقد القارب القدرة على الطفو ويغرق. عند الصعود، يتم تزويدهم بالهواء تحت الضغط، مما يؤدي إلى إزاحة الماء. وفقًا لنفس المبدأ ، يطفو حوض معدني في حوض الاستحمام - يوجد هواء بداخله يشغل معظم حجم الحوض بالكامل. إذا امتلأ الحجم الداخلي للحوض بالحجارة أو المعدن فإنه سيغرق لأن وزنه سيصبح كبيراً جداً.

الحلول الهندسية - استقرار السفينة

إن طفو السفينة، وقدرتها على مقاومة قوى الرياح والأمواج، يتأثر بمبدأ الرافعة المالية. إذا ألقيت حوضًا يطفو بهدوء في حوض الاستحمام في النهر، فسوف يمتص الماء قريبًا ويغرق، لأن الريح ستميله وستغمره الأمواج.

يمكن أن يحدث شيء مماثل أيضًا للسفينة إذا كان استقرارها منخفضًا. كانت هناك حالات في التاريخ عندما تسبب تجمع مئات الركاب على جانب واحد في تدحرج السفينة وغرقها. فقدت العديد من السفن أثناء العواصف لأنها انقلبت بفعل الرياح والأمواج.

استقرار السفينة هو قدرتها على الحفاظ على موقع مستقر في الماء. يعتمد ذلك على المكان الذي يقع فيه مركز ثقل السفينة. كلما اقتربت من السطح، أصبح من الأسهل قلب السفينة وقل استقرارها.

ولهذا السبب تحتوي السفن الحديثة على أثقل الوحدات - محركات الدفع والمولدات وخزانات المياه والوقود - في الجزء السفلي. توجد أيضًا أماكن الشحن هناك. يعرف البحارة أنه على متن سفينة محملة بالكامل، يكون الشعور بالحركة أقل بكثير من الشعور بها على متن سفينة فارغة.

لتحريك مركز الجاذبية إلى أدنى مستوى ممكن، يقوم المصممون بوزن العارضة خصيصًا باستخدام وسادات الرصاص. في السفن الرياضية، يتم بشكل عام تثبيت العارضة الموزونة بشكل منفصل أسفل السفينة على عوارض وتسمى الدعامة.

يؤثر شكل الجانب أيضًا بشكل كبير على الثبات - فالسفن ذات القاع نصف الدائري هي الأصغر حجمًا، في حين أن السفن ثلاثية الأبعاد الرياضية، التي تحتوي على بدن مداد على الجانبين، لديها الأكبر. وبالفعل، فإن وجود دعامات إضافية في الجزء العلوي من الجانب يساعد في الحفاظ على الاستقرار، مما يمنع السفينة من الميل. وكان هذا معروفا في العصور القديمة، وكانوا يربطون حزما من القصب الجاف على طول الجزء العلوي من جانب القارب. ويستخدم السائحون المعاصرون لهذا الغرض أسطوانات قابلة للنفخ، ويربطونها على جوانب قوارب الكاياك.

القواعد الإلزامية للبحار

لتجنب تغيير مركز الجاذبية، عند تحميل السفن الحديثة، يتم استخدام برامج الكمبيوتر للمساعدة في حساب مكان وكمية البضائع التي يمكن وضعها من أجل الحفاظ على صلاحية السفينة للإبحار. الزميل الرئيسي هو المسؤول عن الوضع الصحيح للبضائع. إنه يأمر بالتحميل، ووفقًا للحسابات، يتم وضع البضائع الأثقل في العنابر، والأخف وزنًا على سطح السفينة. يجب "ربط" الحمولة الموجودة على السفينة، أي ربطها. يعد ذلك ضروريًا حتى لا يتدحرج حول الحواجز أثناء العاصفة ولا يغير مركز ثقل السفينة.

ينقسم هيكل السفينة بالكامل إلى حجرات محكمة الغلق. في الحالة العادية، تكون الفواصل بين المقصورات مفتوحة. عندما تتعرض السفينة لثقب، يتم إغلاق المقصورة التي توجد بها بأقسام محكمة الغلق بحيث لا يمكن للمياه أن تملأ الهيكل بأكمله.

أثناء العاصفة، من الخطر قلب السفينة "جانبًا"، أي بشكل جانبي. هناك احتمال كبير جدًا أن تنقلب السفينة بموجة قوية. الموجة الخلفية خطيرة أيضًا. لذلك، أثناء العواصف الشديدة، غالبًا ما تبدأ السفن العابرة للمحيطات في تحريك أقواسها مقابل الأمواج، تاركة المسار المقصود - وهذه هي الطريقة الأكثر أمانًا للسفينة للبقاء على قيد الحياة في الأحوال الجوية السيئة. وفقط بعد انتهاء العاصفة يعودون إلى المسار المطلوب.

إن طفو السفينة واستقرارها هي صفاتها الرئيسية التي تضمن السلامة. ولذلك يجب اتباع القواعد التي تساعد في الحفاظ عليها. ونرحب دائمًا بحلول التصميم التي تساعد على تحسينها.