III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПОЧЕМУ УТЮГ В ВОДЕ ТОНЕТ, А КОРАБЛЬ НЕТ?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Издревле человека окружает вода. Вода кормит и поит его. Но еще древние люди стали задумываться над тем, почему плавают рыбы. Почему некоторые предметы тонут, а некоторые держатся на поверхности воды. Люди очень хотели научиться плавать, начинали строить первые плавательные средства. Сначала это были просто связанные брёвна, плоты или челноки, выдолбленные из брёвен. Постепенно плавательные средства улучшались. Около 5000 лет назад шумеры и египтяне начали сооружать суда, которые ходили на вёслах и под парусом. В 19 веке паровые двигатели заменили парус, а вместо дерева начали использовать сталь. Спустя ещё столетие появились корабли с дизельными двигателями. В настоящее время корабли представляют собой огромные лайнеры и авианосцы, которые бороздят просторы мирового океана и могут месяцами не заходить в порт.
Для меня этот вопрос не понятен. Почему такие большие корабли, сделанные из металла, перевозят тяжелые грузы, плавают и не тонут, а вот обычный железный утюг, внешне очень похожий на лайнер, тонет в воде? Что помогает кораблям держаться на плаву. Чтобы ответить на эти вопросы, я решила на практике выяснить причины того, почему одни предметы в воде тонут, а другие остаются на поверхности.
Проблема исследования: почему же такие огромные и тяжёлые корабли не тонут? Что позволяет им не только держаться на воде, но и перевозить тяжёлые грузы? Для работы я использовала статьи из научно–популярных изданий, из Интернета, мной проведены физические опыты.
Я сформулировала следующую гипотезу исследования:
1) плавание тел в жидкости вызвано определенными причинами,
2) зависит от действующих на тело сил,
3) плавание тел зависит от свойств жидкости, объема и формы тела.
Цель исследования: исследовать явление плавания тел в жидкости, изучить закон Архимеда, познакомиться с его использованием на практике. Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературу по интересующей нас проблеме.
2. Обнаружить наличие силы, выталкивающей тело из жидкости.
3. Установить, от каких факторов зависит, и от каких – не зависит выталкивающая сила.
4. Определить условия плавания тел.
5. Разработать серию опытов, позволяющих шаг за шагом выяснить условия, при которых тела плавают в воде.
6. Сравнить результаты проделанных опытов с литературными данными.
Объект исследования – причины плавания кораблей.
Предмет исследования: изучение взаимодействия жидкости и предметов, помещённых в неё.
Методы исследования: поиск и изучение литературы, проведение опытов; оценка результатов проведённых опытов.
2. Немного истории
Из истории возникновения кораблестроения
В энциклопедии «Открытия и изобретения» я прочитала, что первым средством передвижения по воде был плот. Из большого бревна вырубили середину – получилась лодка.
Согласно историческим сведениям, судостроение появилось еще во времена Древнего Египта и Древнего Китая. Уже тогда корабли использовались для перевозки товаров и в военных целях. Если говорить о восточных славянах, которых можно смело называть нашими предками, то еще в седьмом веке они строили суда, которые состояли из каркасной основы, а обтягивали их чаще всего кожей. Однако всего несколько столетий спустя появились корабли с полностью дощатой обшивкой.
В сети «Интернет» я узнала, что в 15 веке в Португалии изобрели каравеллу.
Каравелла — тип парусного судна, распространённый в Европе, особенно в Португалии и Испании во второй половине XV - начале XVI века, первый тип кораблей, с которых начиналась эпоха Великих географических открытий. Образ каравеллы обычно представляется двух- или трёхмачтовым судном с косым латинским парусным вооружением (каравелла - латина).
В 18 веке в США изобрели клипер - так называли ту разновидность шхун и бригантин, что строилась в городе Балтиморе. Острые обводы корпуса, увеличенная устойчивость, наклоненные к корме мачты, большая площадь парусов позволили клиперам развивать отличную скорость, превосходно удерживать курс, но за это пришлось заплатить уменьшением объёма грузовых трюмов и увеличением осадки.
В конце 18 века во Франции построили первый пароход – «Пироскаф». Его колеса вращала паровая машина.
История кораблестроения в России
Начало судостроения и судоходства в России также уходит во времена глубокой древности. Археологические находки на р. Южный Буг, на побережье Ладожского озера и в других местах свидетельствуют о том, что древние славяне уже более 3000 лет тому назад строили челны-однодеревки, лодки из прутьев, коры или кожи. На смену им пришли более сложные и мореходные ладьи, на которых плавали по Черному морю в Константинополь.
В 12 в. на Руси впервые были построены палубные суда. Палубы, предназначенные для размещения воинов, одновременно служили защитой гребцам. Славяне были искусными судостроителями и строили суда различных конструкций:
- в 1669 г. на верфи в Дединове (на р. Оке) был построен первый русский военный корабль "Орел".
- в 1703 г. был заложен Санкт-Петербург, центром которого стало Адмиралтейство - самая большая судостроительная верфь в стране. Первым крупным судном, сошедшим со стапеля Адмиралтейской верфи был построенный в 1712 г. 54-пушечный корабль "Полтава".
- к 1714 г. Россия имела свой парусный флот.
- самым большим судном петровского времени был 90-пушечный корабль "Лесное" (1718г.).
Эпоха парусного флота закончилась в начале XIX в.
В 1815 г. на Адмиралтейском заводе в Петербурге был построен первый в мире морской пароход, предназначавшийся для линии Петербург—Кронштадт. Он был колесным с деревянным корпусом. На дошедших до нас рисунках видно, что труба его кирпичная. На более позднем рисунке труба железная.
Любопытно, что в России первыми военными металлическими кораблями оказались две подводные лодки в 1834 г. В 1835 г. было построено полуподводное судно "Отважный". Оно погружалось ниже уровня моря оставляя над водой только дымовую трубу.
В конце XIX века были построены первые крейсеры. Это крупные быстроходные корабли, вооружённые орудиями разного калибра. Они пришли на смену парусным кораблям – фрегатам. Непобеждённый «Варяг», легендарная «Аврора», героический «Киров» - флагман Балтийского флота в годы Отечественной войны – эти крейсеры прославили наш флот. В октябре 1917 года «Аврора» выстрелом из орудия подала сигнал к штурму Зимнего дворца.
В 1931 г. начали строить первые советские рыболовные траулеры, буксиры, пассажирские суда.
Успехи нашего судостроения — это результат творческих усилий многих тысяч рабочих, ученых, конструкторов, инженеров и техников.
В перспективных планах российских судостроителей — создание новых судов разных типов, их техническое совершенствование на базе новейших достижений науки и техники, а также внедрение передовой технологии постройки судов.
Современные же суда и вовсе созданы из металла, причем толщина бортовых стен такая, что пробить ее невозможно практически никаким современным оружием.
Как бы там ни было, все эти суда объединяет одна крайне интересная особенность — все они находятся на плаву и не тонут. Как такое возможно? Давайте выяснять.
2.1.Про Архимедову силу
Давным, давно - 2300 лет тому назад, в семье греческого астронома и математика Фидия родился сын. Мальчика назвали Архимедом. Больше всего мальчика влекла математика, которую греческие учёные считали царицей всех наук. Архимед мог часами решать задачи или заниматься геометрическими построениями, забывая обо всём на свете. Он прославился как выдающийся инженер, конструктор машин и механических аппаратов. Архимед изобрёл водоподъёмный винт и поливальную машину. Учёный сконструировал механизм для подъёма и переноски тяжёлых грузов. Архимед вывел закон, который позволял узнать, как удержать корабль на плаву.
Когда тело погружается в воду, оно вытесняет собой какое – то количество воды. Это мы много раз испытывали на себе, когда забирались в ванну, наполненную до краёв водой. «Лишняя вода» тут же переливалась через край и на полу ванной комнаты появлялась лужа. По легенде, Архимед именно так и открыл свой закон о равновесии плавающих тел во время принятия ванны.
Всё началось с того, что правитель Сиракуз заказал своему ювелиру новую корону. Ювелир изготовил корону и уверял, что она из чистого золота. Правитель Сиракуз был очень подозрительным и решил проверить, правду ли говорит ювелир. Он вызвал к себе Архимеда, который к тому времени был не просто самым известным математиком в Сиракузах, но ещё приходился правителю дальним родственником. Он поручил учёному выяснить, правда ли его корона состоит из чистого золота. Чтобы выполнить поручение царя, Архимеду нужно было вычислить плотность металла, из которого сделана корона и, сравнить её с плотностью чистого золота. Чтобы вычислить плотность металла, Архимед должен был знать вес короны и её объём. Взвесить – то нет проблем. А как узнать её объём? Это предмет очень сложной формы. В те времена математики не умели решать такие задачи. Долго и безуспешно трудился Архимед над этой головоломкой. Пока однажды, принимая ванну, не обнаружил на полу лужу. Гениальный учёный тут же догадался, что объём выплеснувшейся воды равен объёму его тела. И что объём короны можно вычислить так же, погрузив её в воду. Архимеду удалось вычислить объём короны и обнаружить, что она изготовлена не из чистого золота, а из сплава. Но главным было не то, что царь теперь мог наказать ювелира за обман, а то, что благодаря царской короне, Архимед открыл один из самых великих законов гидростатики – закон равновесия плавающих тел. Этот закон стали называть Законом Архимеда. А выталкивающую силу –Архимедовой силой.
Закон Архимеда
На тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объёме тела.
По закону Архимеда объём вытесненной воды равен объёму тела, погружённого в эту воду. А сила выталкивания равна весу той самой « лишней», вытесненной воды. Чтобы понять теперь почему одни тела тонут, а другие плавают, мы должны вспомнить про плотность и объём. Разные по плотности вещества, но равные по объёму, имеют разный вес. Кубометр воды весит 1000 кг, кубометр древесины – 500 кг. Если мы построим лодку из одного кубометра липы или лиственницы, то эта лодка будет давить на воду с силой 500 кг. А вода при этом будет выталкивать нашу лодку с силой в 1000 кг.
Вес тела – это сила, с которой давит тело на опору, чтобы удержаться в равновесии. Если архимедова сила больше веса тела или равна ему, то тело никогда не утонет.
3.Экспериментальная часть
Результаты исследования могут быть использованы на уроках окружающего мира, при проведении классных часов, внеклассных мероприятий. У каждого корабля своё предназначение, но у любого судна есть основные части: корпус корабля, нос, корма. Корабль имеет продолговатую форму, чем-то напоминающую глубокую тарелку. Палубы на корабле закрывают его как крышки. Влияет ли материал, из которого сделан корабль, на его плавучесть. Для этого провела опыты:
Опыт №1 «Три шарика». Приложение 1
Я взяла три шарика одинаковой величины. Один стальной, другой из пластмасса, третий из пробки. Определили их плотность по таблице (сталь – 7800кг/м3 , пластмасса-850 кг/м3 , пробка -260 кг/м3) В банку налила воды. Опустила туда шарики. Стальной шарик утонул, упал на дно: сталь ведь тяжелее воды. А, парафиновый и пенопластовый плавали на поверхности. Как видно из опыта металл утонул – его плотность больше плотности воды, а парафиновый и пенопластовый нет – их плотность меньше плотности воды. Значит, любой предмет будет плавать, если его плотность меньше плотности воды. Следовательно, корабль, чтоб он держался на воде, надо сделать так, чтобы его плотность была меньше плотности воды. Предположим, делать его из такого материала, который имеет плотность меньше плотности воды и не тонет – например, из дерева. Из истории мы знаем, что человек именно из дерева делал вначале плоты, а затем лодки, используя свойство дерева – плавучесть. Сегодня мы видим много кораблей сделанных из металла, но они не тонут. Вывод: «Плавучесть» корабля не зависит от материала, из которого он изготовлен.
Опыт № 2 Влияние формы на плавучесть корабля. Приложение 2
Берем алюминиевую фольгу, погружаем его в воду и видим, что он утонула. Придаем фольге форму корабля, погружаем его в воду и видим, что он не утонул, а поплыл. Волшебство, тонущий материал плавает на поверхности! Вывод: Корабль не тонет, потому что он имеет особую форму. Оказывается, когда-то давно древнегреческий учёный Архимед исследовал проблему плавучести тел и сформулировал закон: на любое тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вверх. Таким образом, в наших опытах на тела действовала сила Архимеда, которая выталкивала их на поверхность. Отчего же зависит действие выталкивающей силы? Первое – это от объема корабля и второе — от плотности воды, в которой корабль плавает. Эта сила тем больше, чем больше объем погруженного тела. Второе — выталкивающая сила меняется с увеличением плотности воды. Плотность воды можно увеличить, если ее сильно-сильно посолить. Докажем это следующим опытом:
Опыт№3 . «Яйцо в солёной воде». Приложение 3
Выясняется поведение яйца в зависимости от плотности воды, сравнение силы тяжести и выталкивающей силы при различных положениях яйца в жидкости Я взяла две стеклянные банки и одну из них наполнила чистой водой. Опустила в нее сырое яйцо. Оно утонуло, пошло ко дну. Во вторую банку налила крепкого раствора поваренной соли. Затем взяла третью банку, литровую. Переложила в нее яйцо и подливала по очереди воду из обеих маленьких банок. Мне удалось получить такой раствор, в котором яйцо не всплывало на поверхность, но и ко дну не пошло. Оно держится посреди раствора, как подвешенное.
Объяснение:В первом случае плотность яйца больше плотности воды и поэтому яйцо утонуло. Во втором случае плотность солёной воды больше плотности яйца, поэтому яйцо плавает на поверхности. В третьем случае плотности почти одинаковы, поэтому яйцо находится внутри жидкости.
Вывод: Корабль не тонет, потому что на него действует выталкивающая сила (сила Архимеда), которая зависит от плотности жидкости.
Опыт № 4 «Зависит ли выталкивающая сила от объема тела?». Приложение 4
Я вылепила из пластилина две фигурки разного размера. На ёмкости с жидкостью обозначила границу воды. Воду я подкрасила, что бы мне хорошо было видно разницу. Опустила пластилин в воду и стала наблюдать за тем, как будет изменяться уровень воды в зависимости от величины шарика. Уровень воды поднялся на 1см, когда я опустила в воду второй кусок пластилина большего объема, то уровень воды стал выше -2 см. Вывод: значение уровня воды зависит от объема тела, погруженного в жидкость. Из литературы, я узнала, что на самом деле воздух играет очень большую роль в поддержании корабля на поверхности воды. И я решила проверить, так ли это на самом деле.
Опыт № 5. Влияние воздуха на плавучесть корабля.
Берем два воздушных шарика, один из которых надуваем, и погружаем в воду. Вода попала внутрь не надутого шарика, и он начал постепенно погружаться в воду. Надутый шарик не тонет, даже если надавить на него сверху рукой.
Вывод:Корабль не тонет, потому что воздух внутри него держит его на плаву.
Опыт №6 « Чудо мандарин». Приложение 5
Почему мандарин не тонет? Наберем в емкость воды и опустим в нее мандарин. Он плавает — и вот почему: кожура у мандарина менее плотная, чем его внутренность, и содержит много частичек воздуха, которые помогают мандарину оставаться на поверхности. То же самое явление держит лед на поверхности воды: частички воздуха замораживаются, плотность уменьшается. Теперь очистим фрукт от кожуры и вновь опустим в воду: мандарин утонул из-за того, что увеличилась его плотность.
Опыт №7 . «Газированная вода, виноград и физика…».
Приложение 6
Газированная вода, а также все фруктовые и минеральные воды, которые продаются в бутылках, насыщены газом под давлением. Но вот бутылка открыта, вода налита в стакан. Газ выходит в пене и брызгах. Но часть его еще осталась. Эта часть продолжает постепенно выделяться, оседая пузырьками на стенках стакана. В такой вот стакан со свеженалитой газированной водой я бросила виноградину. Она чуть тяжелее воды и опустилась на дно. Но на нее тут же начали садиться пузырьки газа. Словно маленькие воздушные шарики! Вскоре их стало так много, что виноградина всплыла. Через некоторое время виноградинка снова опустилась на дно. Затем вновь поднялась и опустилась. И так до тех пор, пока вода не «выдохнулась».
Объяснение: Когда виноградинка поднялась на поверхность, то пузырьки газа полопались, и потяжелевшая виноградинка опустилась на дно. Но, на дне она обрастает пузырьками газа, архимедова сила увеличивается и виноградинка поднимается наверх. И так до тех пор, пока вода не «выдохнется».
У меня остался последний вопрос «Почему под воздействием волн суда не переворачиваются?»
Опыт №8 Центр тяжести. Приложение 7
Я решила использовать пустую пластиковую бутылку. В воде она плавала. Тогда я наполнила дно камушками, и бутылка встала….
Вывод: Центр тяжести – ниже основной части бутылки, и поэтому при любой качке корабль не перевернется.
Заключение:
В ходе выполнения настоящего исследования были решены следующие задачи:
1. Изучена литература по вопросу о плавании различных тел в жидкостях.
2. Выполнена серия экспериментов, связанных с изучением плавания тел в жидкости.
В результате было установлено, следующее:
Тело не утонет, если архимедова сила равна или больше веса тела. Железные суда проектируют и строят с таким расчётом, чтобы при погружении они вытесняли огромное количество воды, вес которой равен их весу в загруженном состоянии. В этом случае на них будет действовать выталкивающая сила. Вот одна из причин, почему корабли не тонут. Корабль внутри имеет множество пустых, наполненных воздухом помещений и средняя его плотность значительно меньше плотности воды. Именно поэтому он держит корабль на поверхности воды и не даёт затонуть. И корабль, даже с очень большим на борту грузом будет плыть по водам морей и океанов. Из энциклопедии я узнала секреты строения: корабли строят так, чтобы они в воде не тонули. Даже полностью груженое судно не тонет. Днище корабля специально делают такой формы, что когда корабль наклоняется вбок, он волей – неволей стремится опять выпрямиться. Палубы на корабле закрывают его нутро как хорошие крышки. Поэтому вода не попадает в него, и даже в самый сильный шторм корабль не становится заметно тяжелее.
Используемая литература и Интернет-ресурсы
-
Собе-Панек М. В. «Почему корабль плывёт, а утюг тонет» М: Издательство АСТ, 2015 г.
-
Беслик А.А. «Азбука кораблей»,М: Астрель, 2012
-
https://infourok.ru/issledovatelskiy-proekt-pochemu-ne-tonut-korabli-1051546.html
-
http://www.diagram.com.ua/tests/fizika/fizika159.shtml
-
http://pandia.ru/text/80/059/3187.php
-
http://naukaveselo.ru/pochemu-zheleznyie-korabli-ne-tonut.html
Приложения
Приложение 1 «Три шарика».
Приложение 2Влияние формы
на плавучесть корабля
Приложение 3 «Яйцо в солёной воде».
Приложение 4 «Зависит ли выталкивающая сила от объема тела?».
Приложение 5« Чудо мандарин».
Приложение 6 «Газированная вода,
виноград и физика
Приложение 7 «Центр тяжести»