XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Плавание судов. Закон Архимеда
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Много путешествовав, я был на экскурсиях в Санкт-Петербурге, Новороссийске, там я наблюдал за развитием судостроения в России и узнавал историю их появления.
Отечественный флот развивается со времен Петра Великого и всегда является предметом особой гордости для государства и его жителей.
Наш город тоже внес свой вклад в развитие отечественного флота.Судостроительный завод «Вымпел» специализируется на выпуске средне - и малотоннажных морских и речных катеров и судов военного и гражданского назначения из стали и алюминиево-магниевых сплавов.
Мне интересна вода и движение любого тела в ней, и многие процессы, проходящие при движении в воде. На уроках физики мы проходили силы, которые воздействуют на плавающие тела. Особенно мне стала интересна тема «Плавание судов», почему кусок металла идет ко дну, а металлическое судно плавает на поверхности?
Данная исследовательская работа дала возможность углубить полученные на уроке знания об архимедовой силе, условиях плавания тел. Из результатов собственных экспериментов, которые позволили расширить знания по данной теме, я смог подтвердить на опыте условия плавания тел.
Цель: Исследовать и доказать верность заключения о том, корабли не тонут из-за выталкивающей из воды силы Архимеда.
В своей работе мы решили изучить и исследовать, поэкспериментировать над макетом корабля и создать продукт - исследования картину. Для этого мы поставили перед собой следующие задачи:
1. Изучить литературу и интернет - ресурсы по данной теме.
2. Изучить условия плавания тел и подтвердить их экспериментальным путем.
3. Проверить условие плавания судов на примере модели корабля из пластилина.
Объект: макет корабля из пластилина.
Гипотеза: предположим, что корабль действительно не тонет в воде и это происходит за счет выталкивающей силы Архимеда.
Методы исследования:
- изучение литературы и ресурсов сети Интернет
- проведение эксперимента.
Глава I. Теоретическая часть
1.1 Архимедова сила. История открытия
Об открытии «закона Архимеда» сохранилась легенда. Архимед был приближён ко двору царя Гиерона II и его сына-наследника. По преданию, царь Сиракуз - Гиерон IIподозревая своего ювелира в обмане при выделки золотой короны, поручил своему родственнику Архимеду открыть обман и доказать, что в корону примешано серебра больше, чем следовало. Причудливая форма короны не позволяла измерить её объём и определить удельный вес металла. Долго безуспешно трудился Архимед над решением предложенной задачи.
Однажды, размышляя об этом, Архимед погрузился в ванну, и заметил, что вытесненная его телом вода пролилась через край. Он понял, что объём короны можно определить, измерив объём вытесненной ею воды. Гениального учёного тут же осенила яркая идея, и с криком «Эврика, эврика! (греч. «Нашел! Нашел!)» он бросился проводить эксперимент.
Так и был открыт знаменитый закон Архимеда - основной закон гидростатики.
Первое практическое применение и доказательство справедливости закона Архимеда
Идея Архимеда очень проста. Тело, погружённое в воду, вытесняет столько жидкости, каков объём самого тела. Поместив венец в цилиндрический сосуд с водой, можно определить, какое количество жидкости он вытеснит, т. е. узнать его объём.
Архимед, зная объём и взвесив венец, легко вычислить удельную массу. Это и даст возможность установить истину: ведь золото -- очень тяжёлый металл, а более лёгкие примеси, и тем более пустоты, уменьшают удельную массу изделия.
Таким образом, сначала Архимед измерил объём и вес короны. Для того чтобы уличить нечистого на руку ювелира, достаточно было взвесить корону и равный ей по весу слиток золота в воде. Сплав весит меньше.
1.2 Закон Архимеда
Закон Архимеда - так называется открытый Архимедом важный гидростатический закон, согласно которому каждое тело, погруженное в жидкость, теряет столько своего веса, сколько весит вытесненная им жидкость.
Во всяком случае, следует отметить, что это выдающееся открытие
Архимеда знаменует собой первое в истории применение физического измерительного метода к контролю и анализу химического состава без нарушения целостности изделия.
А
рхимедову силу можно определить на опыте представленном на рис. 1.1
Рис. 1.1 – опыт по определению силы Архимеда
Небольшое ведерко и тело цилиндрической формы подвешиваем на пружине, закрепленной в штативе. Растяжение пружины отмечаем стрелкой на штативе, показывая вес тела в воздухе. Приподняв тело, под него подставляем стакан с отливной трубкой, наполненный жидкостью до уровня трубки. Затем погружаем тело целиком в жидкость. При этом часть жидкости, объём которой равен объёму тела, выливается из отливного стакана в колбу. Указатель пружины поднимается вверх, пружина сокращается, показывая уменьшение веса тела в жидкости. Если в ведёрко налить жидкость из колбы (ту, которую вытеснило тело), то указатель пружины возвратится к своему начальному положению.
На основании этого опыта можно заключить, что сила, выталкивающая тело, целиком погруженное в жидкость, равна весу жидкости в объёме этого тела. Зависимость давления в жидкости (газе) от глубины погружения тела приводит к появлению выталкивающей силы (силы Архимеда), действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ. Тело при погружении двигается вниз под действием силы тяжести. Архимедова сила направлена всегда противоположно силе тяжести, поэтому вес тела в жидкости или газе всегда меньше веса этого тела в вакууме.
Данный опыт подтверждает, что архимедова сила равна весу жидкости в объёме тела.
=ρgV ρV=m получаем =mg а нам известно, что P=mg значит получим: =P
Но все же почему вес тела в воде меньше веса тела в воздухе? Известно, что всякая жидкость давит на погруженное в неё тело со всех сторон: и сверху, и снизу, и с боков. Почему же на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, всегда направленная вверх?
Выталкивающая сила равна весу жидкости в объёме погружённого в неё тела.
Архимедова сила направлена противоположно силе тяжести; поэтому вес тела при взвешивании в жидкости или газе оказывается меньше веса, измеренного в вакууме.
Отсюда можно сделать следующие выводы:
Если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело опускается вниз – тонет.
Если модуль силы тяжести равен модулю архимедовой силы, то тело может находиться в равновесии внутри жидкости на любой глубине.
Если архимедова сила больше силы тяжести, то тело поднимается вверх – всплывает.
Если всплывающее тело частично выступает над поверхностью жидкости, то объем погруженной части плавающего тела такой, что вес вытесненной жидкости равен весу плавающего тела.
Именно эти принципы соотношения силы тяжести и силы Архимеда применяются в судостроении.
Таким образом, опыт доказал, что тело погруженное в воду выталкивается из воды, значит и этим опытом доказывается моя гипотеза, что любой корабль имеет движение, за счет силы Архимеда действующей на него.
1.3 Плавание тел. Условия плавания
В труде «О плавающих телах» Архимед сформулировал закон, который гласит: «Тело, погружённое в жидкость, теряет в своём весе столько, каков вес вытесненной жидкости».
Закон Архимеда является (наряду с другими, позже открытыми фактами) основой гидравлики - науки, изучающей законы движения и равновесия жидкостей.
Именно этот закон объясняет, почему стальной шар (без пустот) тонет в воде, тогда как деревянное тело всплывает. В первом случае вес вытесненной воды меньше веса самого шара, т. е. архимедова «выталкивающая» сила недостаточна для того, чтобы удержать его на поверхности. А тяжелогружёный корабль, корпус которого сделан из металла, не тонет, погружаясь только до так называемой ватерлинии. Поскольку внутри корпуса корабля много пространства, заполненного воздухом, средняя удельная масса судна меньше плотности воды и выталкивающая сила удерживает его на плаву. Закон Архимеда объясняет также, почему воздушный шар, заполненный тёплым воздухом или газом, который легче воздуха (водородом, гелием), улетает ввысь.
Учение о гидростатике Архимед развивает в труде «О плавающих телах»
«Предположим, -- говорит ученый, -- что жидкость имеет такую природу, что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными и что каждая из ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидкость не заключена в каком-нибудь сосуде и не сдавливается еще чем-нибудь другим». Полагаясь на это положение, Архимед математически доказывает, что следующие ниже «следствия» полностью объясняются с помощью приведенной гипотезы:
1) Тела, равнотяжелые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости, и не будут двигаться вниз.
2) Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком, но некоторая часть его остается над поверхностью жидкости.
3) Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной (части тела), имел вес, равный весу всего тела.
4) Тела, более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела.
5) Тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела».
Пункт 5 содержит фактически общеизвестный закон Архимеда, открытие которого позволило ему, согласно преданию, осуществить проверку состава короны сиракузского царя Гиерона.
Огромное практическое значение этого открытия в эпоху, когда еще никаких других методов подобного рода не было, естественно, привлекло к себе всеобщее внимание и стало предметом дальнейших исследований и практических использований на протяжении многих последующих веков.
1.4 Плавание судов
Суда, плавающие по рекам, озёрам, морям и океанам, построены из разных материалов с различной плотностью. Корпус судов обычно делают из стальных листов. Все внутренние крепления, придающие судам прочность, также изготовляют из металлов. Для постройки судов используют различные материалы, имеющие по сравнению с водой как бо́льшую, так и меньшую плотность.
Благодаря чему же суда держатся на воде, принимают на борт и перевозят большие грузы?
Вес воды, вытесняемой подводной частью судна, равен весу судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом. Глубину, на которую судно погружается в воду, называют осадкой. Наибольшая допускаемая осадка отмечена на корпусе судна красной линией, называемой ватерлинией (от гол- ланд. ватер — вода).
Вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом, называется водоизмещением судна.
Сейчас для перевозки нефти строят суда водоизмещением 5 000 000 кН (5 • 106 кН) и больше, то есть имеющие вместе с грузом массу 500 000 т (5 • 105 т) и более.
Если из водоизмещения вычесть вес самого судна, то получим грузоподъёмность этого судна. Грузоподъёмность показывает вес груза, перевозимого судном.
Судостроение существовало ещё в Древнем Египте, Финикии, Древнем Китае.
В России судостроение зародилось на рубеже XVII—XVIII вв. Сооружались главным образом военные корабли, но именно в России были созданы первый ледокол, суда с двигателем внутреннего сгорания, атомный ледокол «Арктика» . Сейчас производство судов возросло и даже в нашем городе есть завод, который занимается судостроением.
1.5 История создания судов
Слово «корабль» имеет греческие корни. Греческое слово «καραβιον», буквально означает судно. От него, например, произошло и итальянское название судна - «каравелла».
Рис. 1.2 – Греческое судно «Галера»
Рис. 1.3 – Итальянское судно «Каравелла»
Первые корабли – это небольшие деревянные суда различной формы, передвигающиеся с помощью весел, появились задолго до нашей эры в Египте, на Крите, в Древней Греции и Риме. Кроме грузовых и пассажирских судов, всегда были необходимы военные корабли для обеспечения безопасности морских торговых путей. С помощью морского флота создавались и разрушались целые империи.
С 2500 г. до н.э. до 1500 г. н. э. корабли приводились в движение веслами и парусами. С 1630 по 1850 г. самым мощным военным кораблем являлся трехпалубный деревянный парусник, имевший 100 и более пушек на борту. Команда военного корабля XVIII в. состояла из 850 офицеров и матросов.
На протяжении веков корабли неоднократно изменяли судьбы народов. На них люди отправлялись в дальние плавания в поисках новых земель, новой жизни, новых рынков. Одновременно с развитием торговых судов совершенствовались и боевые корабли, служившие для защиты торговых путей и отражения нападений вражеских флотов. Даже в нашу эпоху покорения космоса, спустя почти 5000 лет после появления первых известных кораблей, на судах перевозятся самые тяжелые грузы и создаются самые комфортабельные условия для длительных путешествий. Создатели кораблей постоянно искали пути совершенствования судов. За время, прошедшее от однопарусных судов до лайнеров с дизельными двигателями, корабли стали намного более безопасными, комфортабельными и быстроходными. Корабли используются в различных областях человеческой деятельности: в торговле, военных действиях, перемещении людей, научных исследованиях, туризме и отдыхе, спасательных операциях, рыболовстве и даже сельском хозяйстве. Для перевозки людей через моря и океаны существуют различные типы судов. Паромы, суда на воздушной подушке и с подводными крыльями позволяют пассажирам быстро пересекать моря вместе со своими автомобилями на борту. В конце XIX века начали строить пассажирские лайнеры — один из самых комфортабельных видов транспорта. Суда имеют жизненно важное значение для обеспечения способности какого-либо государства вести торговлю, импортировать или экспортировать различные грузы. К торговым кораблям относятся танкеры, способные перевозить сырую нефть, и контейнерные суда, доставляющие твердые грузы. Корабли используются для добычи морских ресурсов.
В России судостроение зародилось на рубеже XVII—XVIII вв. Сооружались главным образом военные корабли, именно в России были созданы первый ледокол, суда с двигателем внутреннего сгорания, атомный ледокол «Арктика».
Рис. 1.4 - атомный ледокол «Арктика»
В нашем городе тоже есть судостроительный завод «Вымпел». История судостроительного завода «Вымпел» ведет свой отсчет с 1930 года, когда в городе Рыбинске Ярославской области был создан катеростроительный завод. Первоначально предприятие специализировалось на выпуске буксирных моторных катеров.
Первый катер был заложен 9 июля 1931 года. Он имел водоизмещение около 6 тонн, длину 11,5 м и мог перевозить 20 пассажиров со скоростью 15 км/ч.
Уже через два года был построен первый цельносварной буксирно-разъездной катер. В 1934 году сдано заказчикам 66 судов, четыре катера были построены на экспорт. В этот период началась специализация завода на строительстве боевых катеров.
За 90 лет завод прошел путь от полукустарного предприятия до одного из лучших судостроительных предприятий страны. Было построено более 30 тысяч катеров различных типов. Почти 40 лет основная продукция поставляется на экспорт. За это время более 1800 катеров экспортировано в 29 стран мира.
Завод производит различные виды судов. Ракетный катер «Молния» проекта 12418 предназначен для уничтожения боевых надводных кораблей, катеров и транспортов противника самостоятельно и во взаимодействии с ударными силами флота.
Скоростные патрульные катера «Мангуст» проекта 12150 строятся крупной серией (построено более 70 единиц) для нужд различных ведомств (Береговая охрана ПС ФСБ России, ВМФ России, МВД России, ФТС России, МЧС России, коммерческие организации и др.) в различной комплектации (с дизелями различных марок, водомётами, приводами Арнесона.
Скоростной патрульный катер «Чибис» проекта 21850 предназначен для охраны морских прибрежных участков государственной границы.
Патрульный катер проекта 1496М1Э обеспечивает буксировку судов водоизмещением до 500 тонн со скоростью до 4 узлов в прибрежных районах морских бассейнов, перевозку портовых рабочих или аналогичных групп, а также до 8 тонн груза, из них до 3-х тонн на палубе.
Морское пассажирское судно на подводных крыльях нового поколения «Комета 120М» проекта 23160 предназначено для скоростных перевозок пассажиров в светлое время суток в салонах, оборудованных креслами авиационного типа.
Морской буксир прибрежного плавания проекта 1496М1 предназначен для буксировки несамоходных плавсредств в прибрежных районах морских бассейнов, перевозки людей (до 12 человек) и груза (до 2 тонн) на палубе, а также участия в поисково-спасательных операциях.
Пожарно-спасательный катер «Морж» проекта 1496МП предназначен для тушения пожаров на плавсредствах и береговых объектах, а также для проведения аварийно-спасательных работ.
Классификация судов:
Грузовое судно - любое судно, не являющееся пассажирским (сухогрузное, наливное, транспортный рефрижератор, ледокол, буксир, толкач, спасательное, технического флота, кабельное, специального назначения и другое непассажирское судно).
Универсальные сухогрузные суда предназначены для перевозки генеральных грузов.
Генеральный груз - это груз в упаковке (в ящиках, бочках, мешках и т.п.) или в отдельных местах (машины, металлические отливки и прокат, промышленное оборудование).
Универсальные суда не приспособлены для перевозки какого-либо определенного типа груза, что не позволяет в максимальной степени использовать возможности судна.
По этой причине строятся и широко применяются в мировом судоходстве грузовые специализированные суда, на которых лучше используется грузоподъемность и значительно сокращается время стоянки в портах под грузовыми операциями.
Подразделяются они на следующие основные типы: балкеры, контейнеровозы, ролкеры, лихтеровозы, рефрижераторные, пассажирские суда и танкеры и др.
Все специализированные суда имеют свои индивидуальные эксплуатационные особенности, что требует от экипажа специальной дополнительной подготовки по приобретению определенных навыков для сохранной перевозки груза, а также обеспечения безопасности экипажа и судна в течение рейса.
Таким образом, можно сделать вывод, что через много лет после изобретения первых кораблей до нашего времени ценность этого изобретения не изменилась.
1.6 Особенности конструкции судов
Палубы морских судов имеют по преимуществу сплошной стальной настил из листов, положенных вдоль судна и образующих, как всегда, ряд поясьев.
Таким образом, пазы, являющиеся соединением поясьев друг с другом, идут все параллельно диаметральной плоскости судна. Однако, здесь необходимо отметить один пояс с его пазом, являющийся исключением из остальных. Это пояс, прилегающий к борту судна, который, идет параллельно борту судна, а не параллельно диаметральной плоскости судна. Этот пояс, играющий большую роль в настиле палубы, а вместе с тем и в продольной крепости судна, носит название палубного стрингера. Он обязателен для всякой палубы -- независимо от того, каков остальной настил ее, стальной или деревянный.
Листы палубного стрингера имеют толщину значительно большую, чем толщина остальных листов палубного настила. С бортом судна, как мы видели в предыдущем параграфе, листы палубного стрингера соединяются посредством идущего по палубе вдоль борта угольника палубного стрингера. Для открытой верхней палубы, где этот угольник всегда ведется непрерывным, размеры его берутся весьма солидными, учитывая его роль в продольной крепости судна.
Толщина листов всех поясьев судна, в том числе и палубного стрингера, по мере приближения от середины судна к оконечностям берется тоньше, до определенной минимальной толщины. Там, где в оконечностях палуба начинает сужаться, прилегающие к палубному стрингеру листы обрезаются по линии паза стрингера.
Соединение листов между собою у палуб обычно производится в накрой с одностороннею фланжировкою. Однако, можно для стальных открытых палуб рекомендовать и соединение внахлестку. У стыков соединение иногда делается также на планках. Стыки, по числу рядов заклепок и шагу их, делаются значительно сильнее, чем пазы. Особенно сильными делаются стыки палубного стрингера. Стыки листов палубного стрингера верхней палубы отнюдь не должны приходиться против стыков прилегающего к нему ширстрека; разнос этих стыков должен составлять не менее 3 шпаций. Сопряжение пазов и стыков друг с другом производится таким же образом, как это имело место у наружной обшивки и у настила второго дна.
Для доступа во внутренние помещения и отдельные отсеки судна в палубе устраиваются вырезы, называемые люками, из которых многие достигают значительной величины. К последним относятся в первую очередь: грузовые люки, ведущие в. грузовые трюмы судна, и машинный светлый люк, расположенный на палубе непосредственно над главным двигателем, установленным в машинном отделении судна, а равно и котельный люк -- над котельным отделением. К малым люкам относятся сходные люки в жилые и служебные подпалубные помещения. К вырезам на палубе относятся также горловины бункеров (реже угольные люки - вместо горловин) и отверстия для вывода на палубу вентиляционных труб. Как легко себе представить, вырезая люк или другое отверстие в палубе, мы, в зависимости от размеров этого выреза, в большей или меньшей степени ослабляем крепость палубы.
В продольной крепости судна участвуют лишь те поясья палубного настила, которые идут непрерывно вне линии больших люковых вырезов в палубе. Ясно поэтому, что с точки зрения продольной крепости судна только у этих поясьев представляет интерес иметь достаточно солидную толщину листов; что же касается участков палубного настила, находящихся между люковыми вырезами, то брать большие толщины листов у них, как не участвующих в продольной крепости, нет надобности. Важно только, чтобы толщина этих листов была достаточной для выдерживания той местной палубной нагрузки, которая на них приходится.
Таким образом, поясья палубного настила внутри линии вырезов для грузовых люков вовсе не засчитываются в продольную прочность судна. Ослабление же листов остальных поясьев небольшими вырезами необходимо компенсировать. Это компенсирование обычно делается удвоением ослабленного листа.
В углах больших люковых вырезов вследствие резкого изменения сечения палубы часто появляются трещины.
Скругление углов и установка на углах накладных листов предотвращают появление трещин, а потому всегда и делаются на верхних наиболее напряженных палубах.
Верхняя непрерывная палуба должна иметь такой настил, чтобы площадь сечения идущих непрерывно поясьев (включая палубный стрингер и его угольник) была достаточною для того, чтобы выдерживать напряжения, возникающие в настиле палубы при изгибе судна на волне.
Принимается, что эти напряжения, а вместе с ними и указанное сечение, зависят от длины судна, высоты борта до верхней непрерывной палубы и грузовой осадки судна.
Настил нижних палуб зависит главным образом от приходящейся на них нагрузки. Настил этих палуб имеет толщины, меньшие толщин листов верхней непрерывной палубы.
В случае наличия длинной средней надстройки палуба последняя будет испытывать наибольшие напряжения, а верхняя палуба под надстройкой будет напряжена менее. У концов же надстройки верхняя палуба будет испытывать дополнительные местные напряжения так же, как это было указано при описании конструкции ширстрека у концов надстройки. В связи с этим под надстройкою настил верхней палубы (включая палубный стрингер и его угольник) может иметь размеры, соответствующие нижней палубе, т.е. ослабленные, зато у палубы самой надстройки настил и тем более стрингер должны быть взяты из расчета обеспечения ими надлежащей продольной крепости в этой части судна. Однако, при этом настил верхней палубы должен, не уменьшая своих толщин, заходить внутрь надстройки на протяжение не меньше 1/3 ширины судна от концов надстройки и, кроме того, у концов длинной средней надстройки стрингер верхней палубы должен быть увеличен в своей толщине на 50% против толщины его по верхней палубе вне надстройки, причем эту увеличенную толщину он должен иметь не менее как на 3 шпации в нос и в корму от каждого конца надстройки.
В случае судна с возвышенною палубою (квартердеком) в месте уступа палубы естественно получается некоторое ослабление крепости судна, поскольку палуба теряет в этом месте свою непрерывность. Для компенсирования этого ослабления в этом месте делаются следующие местные подкрепления:
1) настил верхней палубы (вместе со стрингером и его угольником) протягивается внутрь квартердека на протяжение не менее 4 шпаций;
2) в свою очередь стрингер возвышенной палубы протягивается за уступ палубы по приподнятому борту у места уступа на протяжение не менее 3 шпаций, постепенно сходя на нет;
3) между двумя продолженными на протяжении не менее 4 шпаций друг над другом палубами (как это было только что сказано в п. 1, внутри уступа ставятся от борта до борта на расстоянии не более 1,5 м друг от друга диафрагмы в виде бракет, состоящих из прямоугольных листов, связанных с палубами короткими двойными угольниками. У малых судов эти бракеты заменяются иногда наружными кницами, подкрепляющими уступ.
Выводы по теоретической части
Таким образом, в основе исследуемого теоретического материала лежит принцип плавания судов их особенности конструирования, основы движения и закон Архимеда, благодаря которому происходит движение тело в воде.
Этот закон основан на гидростатическом давлении, вследствие которого тело, погруженное в жидкость, поднимается с действующей ответно вверх силой, равной весу вытесненной им жидкости. И рассматривая этот закон я применил его к судам. При конструировании судов учитывается, что трюмная часть корабля вытесняет массу воды, равную ее собственной массе. Пытаясь вернуться на свое место, вытесненная вода толкает корабль вверх. Поэтому это необходимо учитывать при плавании судов.
Глава II. Практическая часть
2.1 Создание модели корабля из пластилина
Для создания модели корабля я использовал пластилин. Это позволило более точно создать правильную форму корабля.
Рис. 2.1 – модель корабля из пластилина
Рис. 2.2 – Масса корабля с грузом, m = 53,5 г
Сила тяжести, действующая на корабль равна произведению его массы на ускорение свободного падения:
FТЯЖ= 0,0535 кг х 9,8 Н/кг = 0,5 Н
2.2 Экспериментальное подтверждение условий плавания тел
2.2.1 Опыт с погружением в воду предметов из разных материалов (дерево, металл, пластилин)
Для экспериментального подтверждения плавания тел я провел опыт с погружением в воду предметов из разных материалов (дерево, металл, пластилин)
Для проведения опыта я взял кусочек дерева, металлический предмет и пластилин. В результате опыта дерево плавает, металл и пластилин тонет.
Рис. 2.3 – Опыт с погружением в воду предметов из разных материалов
(дерево, металл, пластилин)
Вывод: Разные по плотности и форме вещества ведут себя в жидкости по разному. Это соответствует условиям плавания тел.
2.2.2 Опыт с моделью корабля из пластилина
В этом опыте я экспериментировал над моделью пластилинового корабля, отпуская его в воду, наблюдал за его движениями, по сравнению с куском пластилина прямоугольной формы.
Рис. 2.4 - Опыт с моделью корабля из пластилина
Вывод: Корпус корабля имеет особую форму и может держаться на воде под воздействием определённых сил.
2.3 Определение выталкивающей силы Архимеда
2.3.1 Изготовление динамометра
Для определения величины выталкивающей силы жидкости я изготовил динамометр в домашних условиях – прибор для измерения силы.
Чтобы изготовить динамометр мне понадобились: линейка, 2 скрепки, нитки, бумага, фломастер, резинка, ножницы, скотч.
Для градирования шкалы и тестирования я использовал электронные весы и монеты.
Рис. 2.5 – Самодельный динамометр
2.3.2 Проведение опыта с динамометром
Для определения архимедовой силы я измерил вес кораблика в воздухе, а затем вес кораблика погруженного в воду.
Рис. 2.6 – Опыт с динамометром
Из опыта я узнал, что вес в воздухе равен 0,5 Н, а вес в воде 0 Н, т.к. кораблик плавал самостоятельно и не тонул.
Затем я определил архимедову силу, она равна разности сил в воздухе и в воде. Оказалось, что Архимедова сила равна весу корабля в воздухе, а следовательно равна силе тяжести, действующей на корабль.
Выводы по практической части
Таким образом, на основании проведённого исследования я сделал вывод о том, что корабли не тонут потому, что на них действительно действует выталкивающая (подъёмная) сила, которая направлена вверх и по величине равна силе тяжести корабля. Корабль имеет особое строение корпуса, и воздух, находящийся внутри отсеков судна, помогает кораблю держаться на поверхности воды.
Заключение
Таким образом, анализируя все изложенные аспекты по теории плавания тел, закона Архимеда, также частичное рассмотрение конструкции судов, истории их создания мы пришли к выводу: моя гипотеза оказалась верна, и проделанная мной работа раскрыла мне много знаний.
Закрепление знаний на учебном предмете и их расширение, позволило провести много опытов и сделать выводы что: корабль имеет особое строение корпуса, и воздух, находящийся внутри отсеков судна, помогает кораблю держаться на поверхности воды.На корпус корабля, погруженный в воду, действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная верх, к поверхности воды.
Опытным путем доказано, что судно имея такую форму и плотность материала, из которого оно изготавливается будет плавать. При этом главным законом его движения будет закон Архимеда.
Мои опыты могут быть использованы учениками для обучения и расширения кругозора.
Список используемых источников и литературы
1. Большая иллюстрированная энциклопедия школьника. - М.: Махаон, 2003.
2. Клуб для учителей физики, учащихся 7-9 классов и их родителей. [Электронный ресурс] - http://www.fizika.ru
3. Сайт «Класс!ная физика» [Электронный ресурс] - http://class-fizika.ru
4. Перельман Я.И. Занимательные опыты и задачи по физике: Простая наука для детей. – М.: изд-во Аванта, 2017. – 224с.