IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПОЧЕМУ НЕ ТОНУТ КОРАБЛИ?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Этим летом я с мамой и папой ездил отдыхать на море, и там я видел, как на море проплывали большие корабли, танкеры. Мне стало очень интересно, почему корабли такие большие и тяжелые, но не тонут. Мне захотелось самому это понять с помощью опытов и самостоятельно найти ответ на вопрос «Почему корабли не тонут?»
Гипотеза:
1. Материал, из которого изготовлен корабль, не дает ему утонуть;
2. Корабль не тонет, потому что он имеет особую форму и строение;
3. Корабль не тонет, потому что воздух внутри него держит его на плаву;
Цель работы: понять «Почему корабли не тонут?»
Задачи работы:
Узнать, что такое «корабль», познакомиться с историей кораблей;
Рассмотреть виды первых кораблей, современных кораблей;
Узнать какую конструкцию имеет корабль, принцип работы корабля;
Понять, почему корабль не тонет;
Провести опыты, помогающие понять, почему корабль не тонет;
Предмет исследования: изучение взаимодействия жидкости и предметов, помещенных в нее.
Методыисследования:
Изучение научной литературы;
Изучение информации в интернете;
Проведение опытов, экспериментов;
Беседы со взрослыми
2. Теоретический материал
2.1 Что такое корабль?
Когда-то ученые считали, что слово «корабль» имеет исконно славянские корни «кора» и «корыто», однако эти предположения оказались неверными. Слово «корабль» имеет греческие корни. Греческое слово «καραβιον», буквально означает судно. От него, например, произошло и итальянское название судна - «каравелла».[1]
В понимании современного человека: корабль- это большое морское (либо речное) судно, которое перевозит пассажиров, грузы или служит для военных целей.
2.2 История кораблей
Наши далекие предки при передвижениях, столкнулись с проблемой путешествия по воде. Для этого они начали использовать обыкновенное дерево. Потом человеку нужно было что-то перевезти, и он связал несколько деревьев вместе. Так получился первый плот.
В каменном веке человек научился пользоваться орудием труда, и тогда при помощи камня он стал выдалбливать в дереве углубление, так получилась первая лодка. Многие народы делали лодки из шкур животных, коры деревьев, тростника, пальмовых листьев. Постепенно размеры плавательных средств увеличивались, и появился водоизмещающий корпус, который и стал основной чертой кораблей. Однако изначально такие корпусы были небольшие, но уже содержали в себе все элементы современных кораблей. Вскоре появились первые мореходные корабли. Во времена промышленной революции для строения корпуса корабля начали применять железо и сталь. Сегодня корабли строят из прочных металлических сплавов и стеклоармированных пластмасс.
Судостроение было развито в Древнем Египте, в Финикии, Древнем Китае. В средние века суда строились в Византии, в государствах Средиземноморья и Северной Европы, в Древней Руси. Чуть позже суда строили в Португалии и Испании, позднее и в Англии, в Нидерландах, Франции.[2]
2.3 Первые корабли
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.
В 5 веке до нашей эры появились корабли с несколькими рядами весел. Корабли с двумя рядами весел назывались биремами, с тремя - триремами. Экипаж такого крупного корабля мог состоять из несколько сот человек.
Рис.1 Римская галера
В 7-ом веке в Венеции был создан быстроходный вёсельно-парусный корабль - галера. Галера имела длину 40-50 метров, ширину 6 метров, один ряд весел, экипаж до 450 человек, развивала скорость 7 узлов (13 км/ч). Кроме весел галера имела две мачты с косыми парусами.[2]
Рис.2 Венецианская галера
Переход от гребного флота к парусному флоту осуществлялся вплоть до начала 18-го века.
Появление парусных кораблей, и парусного флота, дало мощный толчок к развитию кораблестроения.
Палуба парусника делалась из твердых, как камень, пород дерева; мачты возвышались над палубой на 15-25 м, т. е. имели высоту 5-8-этажного дома.
На мачтах были перекладины, на которых держались паруса. От перекладины к перекладине протягивалось множество канатов, веревочных лесенок.
В период, с 1630 по 1850 год, самым мощным военным кораблем являлся трехпалубный деревянный парусник, имевший 100 и более пушек на борту.
Команда военного корабля 18-го века состояла примерно из 850 офицеров и матросов.
Следующий этап в развитие кораблестроения начался в 19-ом веке, это строительство кораблей, имеющих корпуса из железа и двигатели. Первыми такими кораблями стали пароходы, которые очень быстро заменили парусные суда.[2]
Рис.3 Корабль-пароход
2.4 Современные корабли
В начале XX века произошли значительные перемены в кораблестроении — на смену пароходам, широко использовавшимся в течение ста лет на всех водных транспортных путях, приходят более совершенные суда с дизельным приводом.
Современные 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.
На современных пассажирских лайнерах имеются комфортабельные каюты, кинотеатры, рестораны, бассейны и игровые комнаты для детей. Большое значение на них предается мерам безопасности. В прежние времена плавание на кораблях было очень опасным. Лишь после гибели в 1912 г. в результате столкновения с айсбергом супер-лайнера «Титаник», на борту которого находились около полутора тысяч членов экипажа и пассажиров, наличие спасательных жилетов для всех людей на судне стало обязательным.[3]
Современные корабли
Рис.4 Круизный корабль
Рис.5 Парусный корабль
Рис. 6 Корабль военно-морского флота
2.5 Конструкция корабля
К какому бы виду или классу не относилось судно, ему присущи общие элементы конструкции. В первую очередь, конечно, корпус, на котором установлены надстройки различного назначения, мачты и рубки. Важным элементом всех судов являются двигатели и движители, в общем, силовые установки. Для жизнедеятельности плавательного средства имеют значение устройства, системы, электрооборудование, трубопроводы и оборудование помещений. Парусные суда оснащаются еще рангоутом и такелажем.
Носом называется передняя, кормой – задняя оконечности корпуса, его боковые поверхности – бортами. Правый борт по ходу движения моряки называют штирбортом, левый – бакбортом. Дном или днищем называется нижняя часть корабля, палубами – горизонтальные перекрытия. Трюм корабля – это самое нижнее помещение, которое находится между днищем и нижней палубой. Межпалубное пространство называется твиндеком.[3]
Рис. 7 Устройство корабля
Корпус корабля 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.[3]
2.6 Принцип работы корабля
Трюмная часть корабля вытесняет массу воды, равную ее собственной массе. Пытаясь вернуться на свое место, вытесненная вода толкает корабль вверх.
Установленные под углом лопасти корабельного винта, вращаясь, создают усилие, толкающее винт и соответственно корабль вперед. На некоторых современных скоростных паромах используется водоструйный движитель; морская вода засасывается в него, а затем выпускается высокоскоростной струей.
Руль, подвешенный на шарнирах на корме судна, соединяется со штурвалом или румпелем. Если рулевой отводит румпель влево, руль и корма двигаются вправо. Если необходимо сделать поворот вправо, он отводит румпель влево.
В эпоху парусных судов была разработана такая установка парусов, которая позволяла двигаться против ветра. Делая повороты в разные стороны (идя галсами), корабль продвигался вперед, даже когда не было попутного ветра.[1]
2.7 Почему корабль не тонет
Если в полости корабля попадет вода, то он конечно же затонет. Чтобы возможность затопления свести на минимум, в подводной части корабля строят перегородки. В результате получаются отсеки, в которых вода из одного не может попасть в другой. Если корабль получит пробоину, то затопится только отсек в месте пробоины. Остальные останутся заполненными воздухом и будут удерживать корабль на плаву. В любом случае корабль имеет вес. Этот вес равен весу воды, объем которой корабль «занимает» собой в море.
Как известно, корабли плавают не просто так, а перевозят различные грузы и людей. Пустой корабль весит меньше, а значит меньше будет «осаживаться» в море. Если его нагрузить, то корабль осядет в воду глубже. При чрезмерной нагрузке, корабль может вообще уйти под воду и утонуть. Поэтому на корпусе судов отмечают специальную линию (ватерлинию). Судно не должно погружаться в воду так, чтобы эта линия оказалась под водой. Иначе любая сильная волна, плеснув воду на корму, может легко затопить корабль.
С другой стороны, пустое судно не должно быть слишком легким. Иначе его подводная часть будет слишком маленькой по отношению к надводной. В таком случае волны и ветер могут опрокинуть корабль.
Корабль, загруженный по ватерлинию, вытесняет самый большой объем воды. Вес этой воды называется водоизмещением конкретного судна. Грузоподъемность судна — это разность между водоизмещением и весом пустого судна или, проще говоря, разность между загруженным кораблем, когда он имеет осадку по ватерлинию, и весом судна без груза.[3]
Практическая часть
Почему же корабли, изготовленные из железа, держаться на воде и не тонут? Я решил провести опыты и понять это (см. Приложение 1).
3.1 Опыт № 1 «Влияет ли материал, из которого сделан корабль, на его плавучесть?
Поочередно погружаем в воду предметы, сделанные из металла, дерева, пенопласта и пластмассы. Как видно, предмет из металла утонул, а из дерева, пластмассы – нет (см. Приложение 2).
Я знал, что все окружающие нас предметы и вещества состоят из крошечных, не видимых взгляду частичек – молекул. Те тела, в которых молекулы располагаются очень близко друг к другу - обладают большей плотностью и быстрее идут ко дну. А тела, в которых молекулы далеко друг от друга, обладают меньшей плотностью, поэтому остаются плавать на поверхности воды. Плотность у железа больше плотности воды, и поэтому оно утонуло. Тела, плотность которых меньше плотности воды, свободно плавают по её поверхности. Поэтому предметы из дерева, пластмассы остались плавать по поверхности. Мы знаем, что современные корабли сделаны из металла, от сюда следует вывод, что «плавучесть» корабля не зависит от материала, из которого он изготовлен.
Следовательно, гипотеза №1 не верна.
3.2 Опыт № 2 «Влияние формы на плавучесть корабля»
Я уже убедился в том, что предметы из различных материалов ведут себя в воде по-разному. Оказывается, у воды есть еще один секрет: на ее поверхности может плавать и «тонущий» материал, главное придать ему нужную форму.
Берем пластилин, делаем из него шарик и опускаем его в воду (см. Приложение 3). Пластилин затонул. Слепим из этого же кусочка пластилина кораблик и опускаем его в воду дном вниз. Наш корабль не тонет, потому что он имеет особую форму (см. Приложение 4). То же самое происходит с большими кораблями, которые не тонут, а продолжают бороздить океаны.
Гипотеза № 2 верна, корабль не тонет, потому что он имеет особую форму и строение.
Опыт № 3 «Влияние воздуха на плавучесть корабля»
Я задумался – а что ещё находится на корабле кроме команды с капитаном, пассажиров, груза и всей техники, которой он оснащён. Помимо всего перечисленного на корабле есть воздух. Из книг я узнал, что воздух намного легче воды. А ведь внутри корпуса корабля есть некоторое пространство, заполненное воздухом. Именно воздух поддерживает корабль на поверхности воды и не даёт затонуть. Я решил проверить это на опыте с шариком.
Берем два воздушных шарика, один из которых надуваем, а второй наполняем водой, и погружаем в воду. Надутый шарик не тонет, даже если надавить на него сверху рукой. А шарик, наполненный водой, погрузился под поверхность (см. Приложение 5).
Оказывается, когда - то давно древнегреческий учёный Архимед исследовал проблему плавучести тел и сформулировал закон: на всякое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости, который известен сейчас как Закон Архимеда. Таким образом, в нашем опыте на шарик снизу, действовала сила Архимеда, которая выталкивала шарик на поверхность.
Гипотеза №3 верна, корабль не тонет, потому что воздух внутри него держит его на плаву.
Железные суда проектируют и строят с таким расчётом, чтобы при погружении они вытесняли огромное количество воды, вес которой равен их весу в загруженном состоянии (это называется водоизмещением корабля). В этом случае на них будет действовать выталкивающая архимедова сила соответствующей величины.
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.
Рис. 8-Силы поддержания; 2-Давление воды на борт судна
Опыт №4 «Влияет ли плотность воды на силу выталкивания»
Определим зависимость величины выталкивающей силы от плотности жидкости. Поместим свежее яйцо в емкость с чистой водой. Мы видим, что яйцо утонуло (см. Приложение 6).
В другой емкость положим 3 ст. ложки соли и опустим яйцо. Яйцо в сосуде с солёной водой всплывает (см. Приложения рис 6). Мы увидели, что выталкивающая сила увеличивается с увеличением плотности воды. Следовательно, в море, где вода соленая (с большей плотностью), выталкивающая сила, действующая на корабль больше, чем в реке или озере, где вода пресная. Поэтому в море судно может нести грузы большей тяжести.
Заключение
В ходе моего исследования первая моя гипотеза не подтвердилась, вторая и третья гипотезы подтвердились. Цель работы достигнута, я понял почему не тонут корабли.
На основании проведенного исследования я сделал вывод, корабли не тонут, потому что:
1. Корабли проектируют и строят с таким расчётом, чтобы они при погружении вытесняли огромное количество воды.
2. Корабли не тонут, потому что на них действует выталкивающая (подъемная) сила, по закону Архимеда, направленная вверх и равная весу жидкости, вытесненной кораблем.
3. Корабль будет находиться на плаву до тех пор, пока его вес будет меньше или равен весу вытесненной им жидкости, что достигается, в том числе и наличием прослойки воздуха в отсеках корабля, а воздух легче воды.
Конечно, есть еще много того, что я не понимаю, например физические понятия, законы, формулы, но, думаю, в старших классах я смогу разобраться в этом вопросе подробнее.
Список источников и использованной литературы:
Я познаю мир: Корабли- М.: ООО «Издательство Астрель», 2002г.
История корабля / С. В. Сахарнов, издательство «Малыш», 1990г.
Ушаков С. З. Плавание тел, детская энциклопедия, том 3 «Числа и фигуры, вещество и энергия». – Москва: «Издательство Академии Педагогических Наук РСФСР», 1961.
Интернет источники:
http://www.kakprosto.ru/kak-824332-pochemu-korabli-ne-tonut
http://www.polnaja-jenciklopedija.ru/istoriya-otkrytiy/istoriya-korabley.html
http://www.voprosy-kak-i-pochemu.ru/pochemu-korabli-ne-tonut/
http://www.i-kiss.ru/rubrika/korabli
http://vm.msun.ru/Cad_ship/Sailship/Parusniki.htm
https://ru.wikipedia.org/wiki/Судостроение
Приложения
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6