XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ушел под воду - не значит утонул
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Интерес к подводным лодкам и кораблям у меня возник после того, как мама рассказала о том, как однажды она была в г. Кронштадт и видела много подводных лодок, плавно рассказы перешли к кораблям и мое любопытство уже было не остановить. Вместе с тем появилось огромное количество вопросов, связанное с их строением, передвижением, механизмом, причинами катастроф.
Я посмотрел большое количество документальных фильмов о подводных лодках и кораблях. Наибольшее впечатление на меня произвели атомные подводные лодки «Курск», К-19 и пассажирские корабли «Титаник», CostaConcordia («КостаКонкордия»). Все эти 4 судна объединяет то, что они затонули. Но как же по-разному на них влияет попадание воды в отсеки и перемещение их на воде тоже очень отличается… В связи с этим выбрана тема моего проекта - «Ушел под воду – не значит утонул». На примере подводной лодки и корабля мы увидим, как по-разному воспринимается эта фраза в зависимости от типа судна, механизма перемещения по воде и чем это объясняется.
Цель работы –выяснить, что позволяет подводным лодкам погружаться на заданную глубину и всплывать на поверхность воды, а кораблям оставаться на плаву, и в каком случае они тонут.
С целью выявления актуальности темы моей работы, нами было проведено анкетирование среди моих одноклассников для выявления интереса к данному вопросу у школьников начального звена, у которых нет еще достаточных знаний по физике и ответов на многие вопросы. По итогам оказалось, что 83% опрошенных проявили интерес и хотят получить больше знаний в данной сфере. С результатами анкетирования можно ознакомиться в приложении А.
Актуальность – интерес школьников младшего звена, не изучающих, в силу возраста, физику, к пониманию физических явлений, наблюдаемых при плавании кораблей и подводных лодок.
Я выдвинул следующие гипотезы:
корабль не тонет, потому что его корпус изготовлен из нетонущих материалов.
корабль не тонет, потому что корпус корабля имеет особое строение.
на корпус корабля действует, определённая сила, держащая его на поверхности воды.
корабль не тонет, потому что внутри его корпуса находится воздух, держащий его на плаву.
подводные лодки перемещаются под водой под действием сил и механизмов.
В соответствии с целью и гипотезами поставлены следующие задачи исследования:
Изучить историю создания кораблей и подводных лодок.
Изучить строение кораблей и подводных лодок.
Провести эксперименты, объясняющие, почему корабли при определенном воздействии воды корабли тонут, а подводные лодки перемещаются в слоях воды
Провести классный час на тему: «Ушел под воду – не значит утонул» с демонстрацией опытов, позволяющих выяснить условия, при которых тела плавают в воде.
Объект исследования – физические явления, происходящие при погружении тела в жидкость.
Предмет исследования – условия погружения (всплытия) подводной лодки и потопления кораблей
Методы исследования –изучение литературы, просмотр документальных фильмов, обращение к интернет-источникам, исследовательская работа.
Проблема исследования – почему же такие огромные и тяжёлые корабли не тонут? Что позволяет им не только держаться на воде, но и перевозить тяжёлые грузы? Что позволяет подводной лодке перемещаться под водой на разные глубины
Практическая значимость – результаты исследования могут быть использованы на уроках окружающего мира, при проведении классных часов, внеклассных мероприятий.
Основная часть
1 Литературный обзор
1.1 История создания кораблей и подводных лодок
1.1.1 От бревна до лайнера
С древних времен люди передвигались по рекам, морям и океанам, используя их как пути сообщения, а также для транспортировки различных грузов.
Изначально люди передвигались по воде с помощью разных предметов, которые могут держаться на воде. Садились верхом на бревно и плыли. Потом начали выдалбливать его и заострять спереди. А 3-4 скрепленных между собой бревна – это уже был плот. Эскимосы делали лодки из кожи животных, египтяне из папируса. Двигателем служил шест, а потом вёсла. Затем люди придумали, как использовать силу ветра, и изобрели парус.
П римерно в 3000 г. до н.э. появился первый известный корабль – древнеегипетское тростниковое судно (рис.1).
Рис. 1 – Первый корабль
Позже люди стали строить корабли из дерева. Это позволило увеличить размеры судна и перевозить гораздо больше грузов и пассажиров. В XIX веке на смену парусу приходит паровой двигатель, а корабли начинают строить из металла. В ХХ веке в кораблестроении начали использовать пластик. Проходило время. Размеры кораблей увеличивались, и,следовательно, рос и их вес (рис. 2).
Рис. 2 – Современный корабль
Вместо паровой машины, на кораблях стали устанавливать дизельные двигатели и газовые турбины. А современные флоты используют корабли с атомной двигательной установкой [5, С. 22-35].
1.1.2 Шаги в развитии подводных лодок
Корабли для плавания под поверхностью моря во всем мире называют подводными лодками или субмаринами.
Голландский физик КорнелиусДреббель (1572 - 1633 гг.), первым в 1620 г. построил судно, способное погружаться под воду на глубину около 4 метров и двигаться в подводном положении.
П ервая построенная в России подводная лодка сконструирована в 1834 г. генералом Шильдером (рис. 3). Она приводилась в движение с помощью весел, корпус был изготовлен полностью из железа. Вооружение составляли шестовая мина и зажигательные ракеты. Для облегчения наблюдения за обстановкой лодка была оборудована устройством, поднимающим наклонное зеркало - прообразом перископа. Двигалась эта лодка посредством весел, приводимых в действие мускульной силой.
Рис. 3 – Первая построенная в России подводная лодка
Раньше подводные лодки были маленькие судёнышки, и служба на них была очень опасной из-за несовершенства техники того времени. Для надводного хода использовали бензиновый двигатель, а под водой лодка передвигалась на электромоторах, питающихся от аккумуляторов. Глубина погружения составляла несколько десятков метров [5, С. 35-42].
Современные субмарины, водоизмещением в несколько тысяч тонн, могут погружаться на глубины до 1000 метров. На современных подводных лодках применяют и атомные силовые установки. Самые большие подводные лодки в мире – это российские тяжёлые подводные ракетные крейсеры стратегического назначения типа «Акула». Длина «Акулы» - 172,8 метра. Такая лодка может находиться в море до 100 суток [1, С. 212-215].
1.2 Строение кораблей и подводных лодок
1.2.1 Строение современного корабля
У любого корабля имеются основные его части: корпус, нос и корма; обычно он имеет продолговатую форму, напоминающую глубокую посуду. Палубы на корабле закрывают его как крышки. На корабль наносится специальная линия – ватерлиния (контрольная отметка, до которой можно загружать судно). Если её видно над поверхностью воды (рис. 4), то значит, что всё в порядке; если эта линия находится под водой, то вероятнее всего будет затопление корабля.
Рис. 4 – Ватерлиния
Если говорить о корабле вообще, будь то военный корабль или гражданское судно, то корпус его представляет собой водонепроницаемое тело обтекаемой формы, полое внутри. Корпус обеспечивает плавучесть судна и является базой или платформой, на которой монтируется оборудование или вооружение в зависимости от назначения корабля.
Палубы называются по расположению на судне нижней, средней и верхней. Строение корабля военного или гражданского судна подразумевает наличие водонепроницаемых отсеков, которые увеличивают его непотопляемость. Внутренние вертикальные стенки (перегородки) выполняются водонепроницаемыми, разделяющими по длине внутренний объем корабля на отсеки. Они препятствуют заполнению водой всего внутреннего объема при повреждении в подводной части корабля и распространению пожара. Отсеки корабля, в зависимости от назначения, имеют свои названия. Все современные суда оборудованы сложным навигационным оборудованием для определения направления движения (курса) и глубин, измерения скорости хода и обнаружения препятствий в тумане или встречных судов. Судовые помещения, сколько бы их ни было на судне, делятся на несколько групп. Это жилые помещения для команды (офицерские каюты и матросские кубрики) и для пассажиров (каюты различной вместимости) [5, С. 67-69].
На примере затопления «Титаника» можно убедиться найти подтверждение темы моего проекта и того как по-разному влияет попадание воды на разные виды судов. После того как «Титаник» получил пробоину, столкнувшись с айсбергом, вода наполнила 5 отсеков. Корабль не был готов к этому, его движение могло продолжиться при заполнении 4 отсеков, 5 оказалось слишком много [13]… Это мы можем увидеть на схеме (рис. 5)
Рис. 5 – Начало затопления «Титаника»
1.2.2 Устройство подводной лодки
Л юбая подводная лодка имеет пару корпусов –внешний и внутренний.Внутренний корпус, в котором находится экипаж и все оборудование, оснащается из толстых металлических листов. Он разделен прочными, водонепроницаемыми перегородками на несколько отсеков. В пространстве между двумя корпусами находятся емкости для воды, которая используется в качестве балласта (рис. 6).
Рис. 6 – «Разрез» подводной лодки
Чтобы всплыть, лодка избавляется от воды, находящейся в балластных емкостях, замещая ее сжатым воздухом.
По длине лодки цистерны разделены перегородками. Чтобы лучше контролировать погружение, цистерны разбиты на группы: носовую, кормовую и среднюю, которые можно заполнять или продувать независимо или одновременно. В верхней части цистерн находятся клапана вентиляции. В нижней части — кингстоны (задвижки, перекрывающие доступ в корабельную (судовую) систему, сообщающуюся с забортной водой, расположены в подводной части корабля, используются для приема забортной воды или откачки жидкости за борт). Совместным открытием и закрытием их достигается выпуск воздуха из цистерн или его удержание при погружении (всплытии).
Чтобы остановиться, при подъеме на заданной глубине необходимо вновь заполнить водой балластные емкости. Заполнение и опорожнение баков с водой должно производиться так чтобы распределение массы внутри лодки оставалось симметричным. Иначе лодка может потерять устойчивость и перевернуться.
Рассмотрим схему заполнения водой балластных емкостей подводной лодки (рис. 7).
Рис. 7 – Схема заполнения водой балластных цистерн подводной лодки
В подводной лодке вода находится во взаимодействии со сжатым воздухом в специальных цистернах в области внешней обшивки [1, С. 79-86].
В этой главе мы подобрали и изучили литературу по данной теме, нашли информацию о первых средствах передвижения по воде, истории кораблестроении, узнали об основных принципах работы корабля и подводной лодки.
Для подтверждения или опровержения гипотез, а также доказательства разного механизма взаимодействия с водой и подтверждения этого опытным путем я провел исследовательскую работу.
2 Исследовательская работа
2.1 Зависимость плавучести корабля от формы его корпуса
Возьмём два, одинаковых по весу шарика пластилина. Из одного куска делаем кубик, а другому придаем форму корпуса корабля. И погружаем их в воду (приложение Б).
Мы видим, что кубик из пластилина утонул, а фигурка в виде корпуса кораблядержится на плаву.
Вывод: лодочка не тонет, а комок пластилина опустился на дно. Это происходит потому, что лодочка имеет особую форму, которая наполнена воздухом. Пластилиновая лодочка вытесняет воду не только своим телом, но и своими пустотами и, следовательно, вытесняет больший вес воды, чем весит сама. На неё действует выталкивающая сила, превышающая вес лодочки. Она и держит их на плаву.
Пластилиновый комок, вытесняет меньше воды. За счет того, что его площадь меньше.
2.2Действие силы на погруженный в воду корпус корабля
В качестве модели корабля я взял пластиковый контейнер, для груза используем блины от гантели массой 0,5 кг и 1 кг (приложение В). Запускать «корабль» буду в большом прозрачном контейнере с водой. Я наполнил контейнер водой, отметил уровень воды линией 1, затем поместил в воду корабль, уровень воды поднялся, отмечаю уровень воды линией 2. Помещаю в модель корабля блин весом 0,5 кг. Отмечаю уровень поднявшейся воды – линия 3. Далее добавляю еще 1 блин массой 0,5 кг. Уровень поднявшейся воды отмечаю линией 4.
Затем было решено взвесить воду, вытесненную 0,5 килограммом груза. Для этого я набрал воды в контейнер до уровня линии 3, затем взял литровую бутылку и стал наполнять ее водой из контейнера пока вода не опустилась до уровня линии 2. Бутылку с водой я взвесил на весах. Вода весит 519 г, то есть примерно столько же сколько весит 1 блин – 0,5 кг.
Вывод: 0,5 килограмм груза вытесняет 0,5 килограмм воды.
Мама сказала, что здесь наблюдается действие закона Архимеда, масса вытесняемой жидкости, равна массе погружаемого тела, то есть, на всякое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости. Это явление открыл древнегреческий ученый Архимед и оно получило название закона Архимеда.
Трюмная часть корабля, при погружении в воду, вытесняет массу воды, равную ее собственной массе. Вес вытесненной воды и определяет вес судна (это называется водоизмещением корабля). Пытаясь вернуться на место, вытесненная водабудет выталкивать корабль вверх (рис. 8).
Рис. 8 – действие выталкивающей силы на корабль
2.3 Действие воздуха на плавучесть корабля
Я взял пустую бутылочку, закрыл ее и опустил в воду на самое дно, придерживая рукой. Как только я отпустил, она сразу поднялся на поверхность.
Затем я наполнил бутылочку водой, закрутил крышку и она сразу же пошла ко дну (приложение Г).
Вывод: воздух удерживает предметы на поверхности. Получается, что именно воздух поддерживает корабль на плаву.
Корпус корабля при постройке разделяют на множество отдельных помещений – отсеков. Внутри отсеков находится воздух, который, легче воды. Он и помогает корпусу корабля не утонуть. Общая плотность воздуха, находящегося внутри, меньше плотности воды, и поэтому выталкивающая сила Архимеда удерживает его на плаву. Но если корабль получит пробоину, то вода затопит отсеки судна, вытеснив воздух. Вес судна вырастет, и как только сила тяжести корабля превысит выталкивающую силу Архимеда, корабль пойдет на дно.
2.4 Механизм плавания подводной лодки
Для изготовления подводной лодки нам понадобилось:
пустая пластиковая бутылка;
медицинская капельница;
воздушный шарик;
Соединяем капельницу с воздушным шариком и через отверстие в крышке бутылки вставляем в бутылку. Далее делаем отверстия в пластиковой бутылке. Опускаем нашу «подводную лодку» в воду, и она сразу идет ко дну, так как весь воздух из бутылки вышел через проделанные отверстия, а вода наполнила ее. С помощью шланга от капельницы подаем воздух в шарик. Шарик начинает надуваться и вытесняет воду из бутылки через отверстия. Лодка всплывает. Регулируя количество воздуха в шарике, можно поднять и опустить лодку на разную глубину (приложение Д)[3, С. 219].
Вывод: Подводная лодка устроена таким образом, что для ее всплытия в балластные цистерны пускают сжатый воздух, из расположенных внутри субмарины баллонов. Поступающий под большим давлением воздух, выталкивает воду из балластных цистерн, облегчая подводную лодку. И как только сила Архимеда превысит силу тяжести подводной лодки, субмарина начнет всплытие. Для погружения подводной лодки, наоборот, цистерны заполняют водой.
Таким образом, мы провели исследовательскую работу с целью выяснить условия, при которых корабли не тонут, а подводные лодки могут перемещаться под водой на разную глубину.
Заключение
Работая над моим проектом, я узнал много интересного.
В ходе проведения экспериментов и изучения литературы решены поставленные задачи:
изучена история создания кораблей и подводных лодок, показана их трансформация от первоначального вида до современного;
изучено строение кораблей и подводных лодок, продемонстрированы отличия в конструкции, позволяющие кораблям держаться на плаву, а подводным лодкам перемещаться на разную глубину;
опытным путем я выяснил:
корабль имеет особую форму, особое строение корпуса, и воздух, находящийся внутри отсеков судна, помогает кораблю держаться на поверхности воды под воздействием выталкивающей силы на основе закона Архимеда;
у подводной лодки – если выталкивающая сила (сила Архимеда), действующая на лодку, меньше силы тяжести действующей со стороны земли то лодка погружается и ложится на дно. Масса подводной лодки изменяется, и сила тяжести становится меньше «силы Архимеда», подводная лодка начинает всплывать;
проведен классный час на тему «Ушел под воду – не значит затонул».
Подведя итог выполненной работы, становится очевидным, что ушел подводу – не значит утонул. В случае с подводной лодкой – это стандартный режим работы и перемещение на разные глубины, а в случае с кораблем – это затопление.
Судостроительная промышленность, являясь одной из важнейших отраслей народного хозяйства и обладая научно-техническими и производственным потенциалом, оказывает решающее влияние на многие другие смежные отрасли и на экономику страны в целом, а также на её обороноспособность и политическое положение в мире. Именно состояние судостроения является показателем научно-технического уровня страны и её военно-промышленного потенциала, аккумулируя в своей продукции достижения металлургии, машиностроения, электроники и новейших технологий.
Список использованных источников
Больных А.Г. Подлодки иллюстрированная энциклопедия / А.Г. Больных. – Москва: Эксмо, 2013. – 352 с.
Горев Л.А. Занимательные опыты по физике / Л.А. Горев. – Москва: Просвещение, 1985. – 256 с.
МейяниАнтонелла. Большая книга экспериментов для школьников/ Мейяни А.; пер. с ит. Э.И.Мотылевой. – Москва:ЗАО “РОСМЭН-ПРЕСС”, 2012. – 689 с.
Митгуш Али. Корабли. Искусство навигации от первобытных времен до наших дней / А. Митгуш.- Москва: Мелик-Пашаев, 2017. – 300 с.
Перля З. Н. Корабли / З. Н. Перля. – Москва: «Издательство Академии Наук», 2001. –459 с.
Тугушева Г.П. Экспериментальная деятельность / Г.П. Тугушева, А.Е. Чистякова. –СПб: «Методическое пособие», 2009. – 186 с.
Главное о «Титанике» 110 лет спустя: история лайнера https://www.youtube.com/watch?v=V5MXlTpYM5E
Невероятно, но факт http://www.poznovatelno.ru/
Последний круиз гиганта: история «КостаКонкордии» https://www.youtube.com/watch?v=0eoHolGurQA
Последний поход подлодки К-728 «Комсомолец» https://www.youtube.com/watch?v=I6Dh4isDYZw
Правда о «Курске». Бездна https://www.youtube.com/watch?v=TmYdK3vtYTI
Самая аварийная подлодка СССР. История К-19 https://www.youtube.com/watch?v=GHZPwaADrh8
«Титаник». Документальный фильм https://www.youtube.com/watch?v=KUnelmsADp4
Школьнику. Онлайн-журнал http://journal-shkolniku.ru/interesnie-faktyi19.html
П риложение 1
Приложение 2
Зависимость плавучести корабля от формы его корпуса
Приложение 3
Действие силы на погруженный в воду корпус корабля
Приложение 4
Действие воздуха на плавучесть корабля
Приложение 5
Механизм плавания подводной лодки