Почему лодки и корабли не тонут

XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Почему лодки и корабли не тонут

Кучуков А.А. 1Милюшенко Р.А. 1
1Негосударственное (частное) общеобразовательное учреждение (НОУ) гимназия «Школа бизнеса» города Сочи
Петренко Е.В. 1
1Негосударственное (частное) общеобразовательное учреждение (НОУ) гимназия «Школа бизнеса» города Сочи
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Лодки, паромы и огромные корабли ежедневно находятся на воде, перевозят людей и грузы, участвуют в научных исследованиях и обеспечивают связь между странами. При этом многие суда сделаны из стали и весят тысячи тонн. Возникает вопрос: почему металлический корабль не тонет, тогда как маленький металлический гвоздь или камень быстро опускается на дно?

Ответ связан не с одним свойством материала, а с формой корпуса, объёмом воздуха внутри судна и действием воды. Вода давит на погружённую часть тела со всех сторон. Давление снизу в среднем больше, чем сверху, поэтому возникает направленная вверх выталкивающая сила. Это явление называют законом, или принципом, Архимеда.

Актуальность работы состоит в том, что изучение плавучести помогает понять важные явления окружающего мира и увидеть связь школьной физики с техникой. Те же закономерности используются при проектировании лодок, танкеров, ледоколов, спасательных средств и подводных лодок.

Практическая значимость особенно важна для школьников. Понимание плавучести помогает осознанно относиться к спасательным жилетам, не перегружать плавательные средства и соблюдать правила поведения у водоёмов. При этом знания о том, что вода выталкивает тело, не заменяют обучение плаванию и соблюдение мер безопасности.

Цель исследования — выяснить, почему лодки и корабли плавают, как форма корпуса влияет на плавучесть и какую роль играет выталкивающая сила воды.

Гипотеза: лодки и корабли не тонут благодаря особой форме корпуса, воздуху внутри и выталкивающей силе воды. Судно будет плавать, пока его средняя плотность вместе с грузом не превышает плотность воды.

Объект исследования — лодки, корабли и модели плавательных средств. Предмет исследования — условия плавания тел и действие выталкивающей силы.

Задачи исследования:

  • изучить историю развития плавательных средств;

  • рассмотреть устройство современного корабля;

  • объяснить принцип Архимеда простыми словами;

  • проверить влияние материала, формы и воздуха на плавучесть;

  • исследовать зависимость плавучести от нагрузки;

  • узнать, как работают ватерлиния и балластные цистерны;

  • рассмотреть причины гибели «Титаника»;

  • сформулировать правила безопасного поведения на воде.

Методы исследования: изучение литературы, наблюдение, сравнение, моделирование, эксперимент, измерение и обобщение результатов.

Рабочее предположение заключается в том, что плавучесть определяется не просто массой предмета и не только материалом, а соотношением веса предмета и веса вытесненной им воды.

1. Теоретическая часть

1.1. История плавательных средств

Первые плавательные средства появились из практической необходимости переправляться через реки и озёра. Простым вариантом был плот — несколько связанных брёвен. Дерево имеет меньшую среднюю плотность, чем вода, поэтому плот держится на поверхности. Однако такой плот плохо поворачивается и зависит от течения и ветра.

Позднее люди стали использовать выдолбленные стволы деревьев — челны. Они были легче и управляемее, но имели небольшую вместимость. Затем появились лодки из досок, укреплённые каркасом. Паруса позволили использовать силу ветра и совершать более дальние путешествия.

В древности и Средние века строили ладьи, каравеллы, фрегаты, шхуны и бригантины. Суда постепенно увеличивались, а их конструкции становились прочнее. Переход от дерева к металлу не отменил закона плавучести: инженеры научились создавать полый корпус, вытесняющий большое количество воды.

После изобретения паровой машины появились пароходы. Уголь нагревал воду, пар приводил в движение машину, а машина вращала гребной винт или колёса. В современном флоте используются теплоходы, электросуда, газотурбинные и атомные установки. Название «пароход» сохранилось в истории, но большинство современных судов не работает непосредственно на паровых машинах.

Сегодня суда строят для разных задач. Сухогрузы перевозят товары, танкеры — жидкости, пассажирские лайнеры — людей, ледоколы прокладывают путь во льдах, буксиры помогают другим судам, рыболовные суда добывают рыбу, спасательные и пожарные корабли работают в чрезвычайных ситуациях, а научные суда исследуют моря и океаны.

1.2. Основные части корабля

Корпус — главная водонепроницаемая конструкция судна. Носом называют переднюю часть, кормой — заднюю, бортами — боковые стороны. Днище расположено внизу корпуса и постоянно или частично находится под водой. Палуба представляет собой горизонтальное перекрытие, а надстройки находятся над верхней палубой.

Внутри корпуса размещаются трюмы для груза, машинные помещения, жилые помещения и технические системы. Переборки разделяют корпус на отсеки. Водонепроницаемые переборки помогают ограничить распространение воды при повреждении обшивки.

Для движения судно использует двигатель и гребной винт. Руль изменяет направление движения. Якорь удерживает судно на месте, когда двигаться не нужно. На корпусе наносят грузовую ватерлинию или грузовую марку — отметку, показывающую допустимую осадку при определённых условиях.

1.3. Почему камень тонет, а корабль плавает

Камень состоит почти полностью из твёрдого вещества. Его средняя плотность больше плотности воды, поэтому при полном погружении вес камня оказывается больше выталкивающей силы. Камень движется вниз.

Металлический корабль устроен иначе. Его корпус не является сплошным металлическим бруском: внутри находятся воздух, помещения, топливо, оборудование и груз. Благодаря полой форме корабль занимает большой объём и вытесняет много воды. Средняя плотность всей системы «металл плюс воздух плюс содержимое» может оказаться меньше плотности воды.

Например, стальная пластинка тонет, потому что вытесняет мало воды по сравнению со своим весом. Если ту же пластинку согнуть в форме лодки, её внешний объём увеличится, а внутри появится воздушное пространство. Такая модель сможет вытеснить больше воды и плавать, пока внутрь не попадёт слишком много воды.

Следовательно, фраза «металлический корабль плавает» не означает, что металл легче воды. Плавает не отдельный металл, а весь корпус вместе с воздухом, грузом и механизмами.

1.4. Принцип Архимеда

Согласно принципу Архимеда, на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости или газа.

Если выталкивающая сила меньше силы тяжести, тело тонет. Если силы равны, тело находится в равновесии.

Если выталкивающая сила больше веса, тело поднимается вверх, пока не погрузится настолько, чтобы силы сравнялись.

Плавающее судно находится в состоянии равновесия: сила тяжести направлена вниз, а выталкивающая сила воды — вверх. Для спокойного плавания эти силы равны по модулю. Поэтому вес плавающего судна равен весу вытесненной им воды. Именно это утверждение является ключом к пониманию плавучести.

1.5. Осадка и грузоподъёмность

Осадкой называют глубину погружения судна в воду. Когда на корабль загружают груз, его вес увеличивается. Чтобы выталкивающая сила также увеличилась, корпус погружается глубже и вытесняет больше воды.

Но возможность погружаться ограничена. Если судно перегрузить, борта будут находиться слишком близко к воде, волны смогут переливаться через них, а запас плавучести уменьшится. Грузовая марка помогает экипажу контролировать допустимую загрузку. Грузоподъёмность — это масса груза, которую судно может безопасно перевозить при заданных условиях.

1.6. Устойчивость корабля

Плавучесть — не единственное условие безопасности. Судно должно сохранять устойчивость, то есть не опрокидываться при ветре, волнении и перемещении груза. Для этого тяжёлые механизмы и запасы размещают низко, а груз закрепляют.

Форма корпуса также влияет на устойчивость. Широкий корпус обычно труднее опрокинуть, чем узкий. Конструкторы рассчитывают положение центра тяжести и центра плавучести, выбирают форму днища и размещение отсеков.

Если вода попадёт внутрь одного из помещений, масса судна увеличится, а воздух, обеспечивавший запас плавучести, будет вытеснен водой. Кроме того, свободно перемещающаяся вода может ухудшить устойчивость. Поэтому корабли имеют насосы, герметичные двери и водонепроницаемые переборки.

2. Практическая часть

2.1. Организация исследования

Практическую часть мы проводили с моделями и безопасными бытовыми предметами. Для опытов использовали таз или большую ёмкость с водой, кусочки дерева, стекла, металла и пластмассы, пластилин, алюминиевую фольгу, пустую пластиковую бутылку, пластиковый стакан, монеты, весы и салфетки.

Перед началом экспериментов соблюдали правила безопасности: воду не проливали около электроприборов, стекло брали только под контролем взрослого, не помещали мелкие предметы в рот и после опытов вытирали рабочее место. Количество монет в опыте является результатом именно нашей модели и не является универсальной характеристикой корабля.

2.2. Эксперимент 1. Влияние материала

Цель: проверить, одинаково ли ведут себя в воде предметы из разных материалов.

Ход работы: в ёмкость налили воду и по очереди опустили кусочки дерева, стекла, металла и пластмассы. Дерево и пластмасса остались на поверхности, а стекло и металлический кусок опустились на дно.

Объяснение: результат зависит от средней плотности и формы предмета. В нашем опыте металлический кусок был сплошным, поэтому его средняя плотность оказалась больше плотности воды. Корабль из металла имеет полый корпус и гораздо больший объём, поэтому сравнивать его со сплошным металлическим кусочком нельзя.

Вывод: материал важен, но сам по себе не определяет плавучесть. На неё влияют также форма, объём, масса и наличие воздуха.

2.3. Эксперимент 2. Влияние формы

Цель: проверить, меняется ли плавучесть одного и того же материала при изменении формы.

Ход работы: из пластилина сделали плотный шарик и опустили его в воду. Он утонул. Затем из того же количества пластилина изготовили чашеобразную модель лодки с углублением. Она стала держаться на поверхности. Аналогично сравнили комок фольги и фольгу, сложенную в форме кораблика.

Объяснение: масса материала почти не изменилась, но внешний объём модели увеличился. Модель стала вытеснять больше воды. Пока вес вытесненной воды не меньше веса модели, она плавает.

Вывод: форма корпуса имеет большое значение. Полая форма позволяет из тяжёлого материала создать плавающее судно.

2.4. Эксперимент 3. Роль воздуха

Цель: выяснить, влияет ли воздух внутри предмета на его плавучесть.

Ход работы: пустую закрытую пластиковую бутылку опустили в воду. Она плавала. Затем бутылку осторожно прижали и погрузили глубже. После отпускания она поднялась к поверхности.

Объяснение: бутылка имеет небольшую массу и большой объём, заполненный воздухом. Средняя плотность всей бутылки меньше плотности воды. Воздух не «держит» предмет как отдельная невидимая опора; он увеличивает объём при небольшой массе, благодаря чему возрастает плавучесть.

Вывод: воздух внутри корпуса помогает судну вытеснять большое количество воды при сравнительно небольшой средней плотности.

2.5. Эксперимент 4. Что толкает бутылку вверх

Цель: наблюдать действие выталкивающей силы.

Ход работы: бутылку погрузили в воду и удерживали рукой. После отпускания бутылка быстро поднялась вверх.

Объяснение: вода действует на бутылку со всех сторон. На глубине давление воды больше, чем у поверхности, поэтому давление снизу создаёт результирующую силу, направленную вверх. Эта сила называется выталкивающей силой или силой Архимеда.

Вывод: вода действительно выталкивает погружённое тело. Направление движения зависит от сравнения силы Архимеда и силы тяжести.

2.6. Эксперимент 5. Влияние нагрузки

Цель: установить, как изменяется плавучесть при увеличении массы модели.

Ход работы: на воду поместили пустую бутылку и модели лодок из пластилина и фольги. Затем постепенно добавляли воду или груз. Сначала модели плавали, но погружались глубже. После превышения определённой нагрузки они начинали заполняться водой или тонули.

Объяснение: при увеличении массы возрастает сила тяжести. Чтобы уравновесить её, модель должна вытеснить больше воды, поэтому она погружается. Когда корпус уже не может вытеснить достаточный объём воды, выталкивающая сила становится недостаточной.

Вывод: чем больше нагрузка, тем глубже погружается судно. У каждого плавательного средства есть предел грузоподъёмности.

2.7. Эксперимент 6. Сколько можно нагрузить модель

Цель: определить предельную нагрузку на простой модели судна.

Ход работы: пластиковый стакан поместили в кастрюлю с водой и стали добавлять монеты. По мере загрузки стакан погружался глубже, а уровень воды повышался. После добавления 54 монеты модель утратила устойчивость и утонула. Затем стакан с монетами взвесили и сравнили его массу с массой вытесненной воды.

Результат: модель плавала до тех пор, пока масса вытесненной воды могла уравновешивать вес стакана и монет. После превышения предельной нагрузки стакан погрузился полностью, вода попала внутрь, и плавучесть резко уменьшилась.

Важно: число 54 относится только к использованному стакану, монетам и объёму воды. Если изменить размер стакана, материал, форму монет или плотность воды, результат будет другим.

Вывод: корабль плавает, пока его вес не превышает вес воды, которую он вытесняет. На реальном судне запас плавучести учитывают заранее, а допустимую осадку контролируют по грузовой марке.

2.8. Обобщение экспериментов

Все опыты подтверждают одну закономерность. Сплошной тяжёлый предмет тонет, но тот же материал в полой форме может плавать. Воздух уменьшает среднюю плотность модели. При добавлении груза судно погружается глубже, потому что должно вытеснить больше воды. При чрезмерной нагрузке равновесие нарушается.

Таким образом, гипотеза исследования подтвердилась: плавучесть лодки или корабля связана с формой корпуса, наличием воздушного пространства и действием выталкивающей силы воды.

  1. Корабли, подводные лодки и безопасность

    1. Почему корабль не тонет при повреждении

Современные суда проектируют с учётом возможных аварий. Корпус делят на отсеки водонепроницаемыми переборками. Если повреждён один участок, вода не должна сразу распространиться по всему кораблю. Насосы удаляют воду, а экипаж закрывает двери и клапаны.

Защита не является абсолютной. Если повреждены несколько отсеков, вода может увеличивать массу судна и уменьшать объём воздуха. При чрезмерном поступлении воды нос или корма погружаются, волны начинают переливаться через палубу, а затопление ускоряется.

    1. Почему затонул «Титаник»

«Титаник» был крупным пассажирским лайнером длиной около 269 метров. В ночь с 14 на 15 апреля 1912 года он столкнулся с айсбергом. Повреждения привели к поступлению воды в несколько передних отсеков.

Конструкция судна имела водонепроницаемые переборки, но их высота и устройство не позволили остановить затопление при таком масштабе повреждения. Когда нос опустился, вода стала переходить через верхние края переборок из одного отсека в другой. Масса воды увеличивалась, запас плавучести уменьшался, и судно в итоге затонуло. Исторические материалы американского расследования указывают, что открытые или недостаточно защищённые проходы способствовали распространению воды между помещениями.

Этот пример показывает: большие размеры сами по себе не делают корабль непотопляемым. Важны целостность корпуса, герметичность отсеков, устойчивость, запас плавучести и действия экипажа.

    1. Как плавают подводные лодки

Подводная лодка может двигаться как на поверхности, так и под водой. Для изменения плавучести используются балластные цистерны. На поверхности в них находится воздух, поэтому средняя плотность лодки меньше плотности воды и лодка держится наверху.

Для погружения в цистерны впускают воду, а воздух выпускают. Масса лодки увеличивается, средняя плотность становится больше плотности воды, и лодка опускается. Для всплытия в цистерны подают сжатый воздух, который вытесняет воду. Тогда плавучесть возрастает, и лодка поднимается.

Существует и нейтральная плавучесть: вес лодки и выталкивающая сила почти равны, поэтому лодка может находиться на выбранной глубине. Такое устройство основано на том же принципе Архимеда, что и плавание обычной лодки.

    1. Практическое применение знаний

Изучение плавучести имеет несколько важных применений:

  • проектирование лодок, кораблей, паромов и плавучих платформ;

  • расчёт грузоподъёмности и осадки судна;

  • создание спасательных жилетов, кругов и понтонов;

  • работа поплавков, буёв и измерительных приборов;

  • управление погружением и всплытием подводных лодок;

  • разработка водоизмещающих и полупогружных конструкций;

  • объяснение бытовых явлений, например, плавания льда и всплытия пустой бутылки.

Знания о плавучести помогают соблюдать правила безопасности. Спасательный жилет увеличивает объём тела и содержит материал, заполненный воздухом или лёгким пенистым веществом. Поэтому средняя плотность человека вместе с жилетом уменьшается, а выталкивающая сила помогает удерживаться на воде.

Однако нельзя считать, что любой человек автоматически умеет безопасно плавать. Нельзя заходить в воду в незнакомом месте, прыгать с мостов и причалов, использовать самодельные плавательные средства, перегружать лодку или вставать в ней во время движения. На воде нужно выполнять требования взрослых и сотрудников спасательных служб.

Если человек оказался в воде, важно не паниковать, сохранять энергию, звать на помощь и использовать спасательное средство. Совет «лечь на спину и сделать вдох» может помочь удерживаться на поверхности, но он не заменяет спасательный жилет и профессиональную помощь.

Выводы

  1. Лодки и корабли плавают благодаря равновесию силы тяжести и выталкивающей силы воды.

  2. Выталкивающая сила равна весу вытесненной жидкости.

  3. Металл сам по себе не делает корабль плавающим. Важна средняя плотность всей конструкции: корпуса, воздуха, груза, топлива и оборудования.

  4. Полая форма корпуса позволяет судну вытеснять большой объём воды при сравнительно небольшой массе.

  5. При увеличении груза судно погружается глубже. Если допустимая нагрузка превышена, корабль теряет запас плавучести и может затонуть.

  6. Практические опыты с пластилином, фольгой, бутылкой, стаканом и монетами подтвердили влияние формы, воздуха и нагрузки.

  7. Водонепроницаемые отсеки повышают безопасность, но не делают судно абсолютно непотопляемым.

  8. Подводные лодки изменяют плавучесть с помощью балластных цистерн: вода принимается для погружения, а сжатый воздух используется для всплытия.

  9. Гипотеза исследования подтвердилась.

Заключение

В ходе исследования мы выяснили, что плавание судов объясняется законами физики, а не только прочностью материала. Главную роль играет принцип Архимеда: вода выталкивает погружённое тело вверх с силой, равной весу вытесненной воды.

Корабль из стали не тонет потому, что его корпус имеет полую форму и содержит большие объёмы воздуха. Благодаря этому корабль вытесняет массу воды, равную его собственному весу. Пока равновесие сохраняется, судно плавает. Когда внутрь поступает вода или масса груза становится слишком большой, средняя плотность увеличивается, осадка возрастает, а запас плавучести уменьшается.

Практическая часть позволила увидеть эту закономерность на простых моделях. Сплошные комки пластилина и фольги тонули, а модели лодок из того же материала плавали. Пустая бутылка поднималась благодаря большой доле воздуха. При добавлении монет стакан постепенно погружался и после предельной нагрузки тонул.

Полученные знания связаны с историей кораблестроения, конструкцией современных судов, работой подводных лодок и правилами безопасности. В дальнейшем можно продолжить исследование: сравнить пресную и солёную воду, определить грузоподъёмность моделей разной формы, построить график зависимости осадки от массы груза и изучить устойчивость судов при боковом наклоне.

Используемые источники

  1. Перышкин А. В. Физика. 7 класс. — Москва: Дрофа. Разделы «Архимедова сила» и «Плавание тел».

  2. Российская электронная школа. Уроки по физике: «Архимедова сила» и «Плавание тел». — URL: https://resh.edu.ru

  3. Большая российская энциклопедия. Статьи «Корабль» и «Подводная лодка». — URL: https://bigenc.ru

  4. Музей Мирового океана. Материалы о кораблях и подводной лодке Б-413. — URL: https://www.world-ocean.ruworld-ocean

  5. Детская энциклопедия «Аванта+». Разделы о воде, кораблях и морях. — Москва: издательство «Аванта+».

  6. Детская энциклопедия техники. Разделы «Корабли», «Подводные лодки», «Как работает транспорт». — Москва: Росмэн.

  7. Детская энциклопедия «Хочу всё знать». Разделы о физических явлениях и технике. — Москва: АСТ.

  8. Собственные эксперименты с водой, пластилином, фольгой, пластиковой бутылкой, стаканом и монетами, проведённые учащимися в 2026 году.

Просмотров работы: 0