Плавучие дома

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

Плавучие дома

Стрельцов Е.С. 1
1МОУ СОШ №48
Насенник К.М. 1
1МОУ СОШ №48
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Однажды, просматривая ролики в интернете, я увидел, как в Европе по морям и в океане плавают настоящие дома - коттеджи. Такие дома полностью оборудованы для комфортного проживания на протяжении долгого периода времени. Они пользуются большой популярностью у путешественников. У нас, в России, такие типы домов еще не получили широкого распространения, но плавучие дачи и бани уже пользуются спросом у населения.

Я очень удивился, так как не смог понять, почему плавающие дома не тонут и как держатся на воде. Но, поразмыслив, задумался над тем, что современные корабли тоже очень тяжелые, сделаны из стали, и они плавают.

Тогда мама предложила провести исследование и найти ответ на вопрос: «Почему плавают корабли и могут плавать дома?»

Изучив опытным путем причины плавучести корабля, мы сможем понять, почему не тонут плавающие дома. Ведь очень полезно проводить лето на природе, купаться, загорать и ловить рыбу. Но такой отдых можно сделать более комфортным и интересным для всех членов семьи. Этому могут способствовать плавучие дома, которые оснащены всем необходимым. В этом и заключается актуальность нашей работы.

Практическое значение данной работы представляется в использовании полученных результатов учителями физики и окружающего мира при объяснении темы урока: «Плавучесть предметов», а так же взрослыми, которые стремятся разнообразить семейный отдых и сделать его более комфортным для всех членов семьи.

В ходе исследования была поставлена цель: выявить причины, позволяющие тяжёлым предметам не тонуть и сохранять плавучесть. Спроектировать и построить макет плавучего дома.

Для достижения поставленной цели были выдвинуты следующие задачи:

1. Собрать и проанализировать информацию о плавучести тел.

2. Провести анкетирование и на основе полученных результатов выяснить, что знают о плавучести предметов ученики 3-4 классов.

3. Провести опыты, объясняющие условия, при которых тела плавают в воде.

4. На основе полученных выводов и информации построить макет плавучего дома.

Объект исследования:причины, позволяющие тяжёлым предметам не тонуть и сохранять плавучесть.

Предмет исследования:взаимодействие воды и предметов, помещённых в нее.

Гипотеза исследования: предположим, что корабли и плавающие дома могут держаться на воде и не тонуть, потому что имеют особую форму и строение.

При выполнении исследовательской работы были использованы следующие методы исследования:

- анализ литературы и интернет - источников по теме;

- анализ понятийного аппарата;

- систематизация;

- обобщение;

- анкетирование;

- наблюдение;

- эксперимент;

-моделирование (разработка собственной модели плавучего дома).

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИЧИН, ПОЗВОЛЯЮЩИХ ТЯЖЁЛЫМ ПРЕДМЕТАМ НЕ ТОНУТЬ НА ВОДЕ

1.1 Роль Архимеда в изучении плавучести предметов

Архимед – греческий механик, физик, математик, инженер. Родился в Сиракузах (Сицилия). Его отец Фидий был астрономом и математиком. Отец занимался воспитанием и образованием сына. От него Архимед унаследовал способности к математике, астрономии и механике. Архимед обучался в Александрии (Египет), которая в то время была культурным и научным центром. Там он познакомился с Эратосфеном – греческим математиком, астрономом, географом и поэтом, который стал наставником Архимеда и покровительствовал ему долгое время.

Архимед сочетал в себе таланты инженера-изобретателя и ученого-теоретика. Он стал основателем теоретической механики и гидростатики,  разработал методы нахождения площадей поверхностей и объемов различных фигур и тел [1].

Архимед написал много научных трудов. Свой знаменитый закон Архимед открыл при интересных обстоятельствах. Царь Гиреон II, которому служил Архимед, хотел узнать, не подмешивали ли ювелиры серебро к золоту, когда изготавливали корону. Определить  объём изделия неправильной формы – непростая задача, над которой Архимед долго размышлял.

Удельный вес золота был известен, но трудность состояла в том, чтобы точно определить объём короны: ведь она имела неправильную форму! Архимед всё время размышлял над этой задачей. Как-то он принимал ванну и заметил, что из неё вытекает такое количество воды, каков объём его тела, погружённого в ванну, и тут ему пришла в голову блестящая идея: погружая корону в воду, можно определить её объём, измерив, объём вытесненной ею воды. В этот момент был открыт основной закон гидростатики — закон Архимеда [2].

Закон Архимеда гласит: на всякое погруженное в воду тело действует сила, направленная верх и равная весу вытесненной им жидкости.

Свойство тела, погруженного в жидкость, оставаться в равновесии, не всплывая и не погружаясь дальше, называется плавучестью [3].

1.2 История кораблестроения

Наши далекие предки при передвижениях, столкнулись с проблемой путешествия по воде. Для этого они начали использовать обыкновенное дерево. Первыми плавательными средствами были связанные брёвна, плоты и челноки, выдолбленные из брёвен. Первые корабли – это небольшие деревянные суда различной формы, передвигающиеся с помощью вёсел. 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.

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 [4].

В начале XX века произошли значительные перемены в кораблестроении — на смену пароходам, приходят более совершенные суда с дизельным приводом.

В настоящее время корабли представляют собой огромные лайнеры и авианосцы, которые бороздят просторы мирового океана.

Современные корабли делают из материалов, плотность которых во много раз выше плотности воды. Но они не тонут, потому что сконструированы таким образом, что внутри имеют много помещений, заполненных воздухом [5].

Рассмотрим строение корабля (рисунок 1).

Рисунок 1. Строение корабля

1 – нос, 2 – бульб, 3 – якорь, 4 – борт, 5 – корма, 6 – корма, 7 – дымоход, 8 – ходовая рубка, 9 – палуба.

Корпус корабля состоит из нескольких частей.

Передняя часть называется нос. Передняя оконечность носа носит название форштевень. А часть носа, выступающая ниже ватерлинии, называется бульб. Он изменяет направление потока воды по корпусу, благодаря чему уменьшается сопротивление, увеличивается скорость корабля и уменьшается расход топлива.

Задняя часть корабля называется кормой.  Боковую часть называют бортом.  Внутреннее пространство корабля по вертикали разделяется на помещения горизонтальным перекрытием - палубой. 

По дну судна, от носа до кормы, проходит продольная балка, которая называется килем. Она обеспечивает прочность корпуса и днища.

Линия соприкосновения корпуса со спокойной поверхностью воды, называется ватерлинией. Она условно разделяет надводную и подводную части корабля.

Водонепроницаемость судна, плавучесть и непотопляемость обеспечивает корпус. Плавучесть – самое важное мореходное качество корабля. Каждый корабль имеет запас плавучести.

С точки зрения физики запас плавучести равен такому объёму воды, который корабль может принять на борт, оставаясь на плаву.

Для сохранения запаса плавучести корпус корабля и все его помещения делаются водонепроницаемыми. Они разделяются переборками и палубами. Водонепроницаемы двери, иллюминаторы, люки. В случае поступления воды в какое-то помещение на корабле, она не сможет проникнуть в другие помещения [6].

1.3 Особенности строения плавучих домов

Дом на воде (хаусбот) — в большинстве случаев это конструкция, установленная на понтон (как правило, стальной или бетонный) и предназначенная для проживания человека, защиты его от неблагоприятных природных явлений и низких температур. Существует множество разнообразных конструкций, начиная от маленького одноэтажного домика и заканчивая суперсовременными, многоэтажными домами [7]. 

Существует два основных типа домов на воде. Так называемый "дом-корабль" строится на базе списанного судна: мотор и все содержимое машинного отделения вынимаются, а стальной корпус обшивается изнутри досками и превращается в уютное жилище (рисунок 2).

Рисунок 2. Дом-корабль

Плавучие дома второго типа - это дома на понтоне. Внешне они выглядят, как самые обычные одноэтажные, реже двухэтажные дома, но стоящие не на суше, а прямо в воде, возле берега (рисунок 3).

Рисунок 3. Дом на понтоне

В сегодняшних плавучих домах есть все необходимое для комфортной жизни: газ, электричество, горячая вода, телефон, кабельное телевидение, интернет [8].

Что же касается безопасности, этот вид жилья уже сейчас ничем не уступает традиционным видам городских построек. Строится дом или дача над водой практически так же, как и обычные постройки, с той только разницей, что основанием будет не фундамент для дачного дома на участке, а понтон.

Понтон для плавучего дома выполняется из железобетонных сборных элементов, либо из качественной стали [9] (рисунок 4).

Рисунок 3. Понтон-основа плавучего дома

Создание проекта жилого дома на воде должно производиться поэтапно:

1. Предварительный расчет грузоподъемности основания будущей постройки, выбор подходящего материала и конструкции, и окончательные расчеты на прочность и устойчивость всех элементов понтона.

2. На основании расчетных данных, полученных на первом этапе, необходимо спроектировать конструкцию дома, подобрать материал для постройки, исходя из его механических характеристик: он должен быть достаточно прочным и жестким при сравнительно небольшой массе.

3. Далее необходимо продумать и предусмотреть размещение всех городских коммуникаций, таких как: система водопровода; электрическая сеть; эффективная система отопления; безопасная система водоотведения и канализации.

4. Окончательно завершит проект дома на воде этап обеспечения безопасного проживания людей. Также здесь необходимо учесть возможности для безопасного судоходства [10].

Лучшим местом для расположения домика будет внутренний водоем (озеро, пруд), там, где отсутствует сильное волнение воды:

Волна не больше одного метра.

Скорость ветра не превышает 15 м/сек.

Ежедневное течение не влияет на местоположение строения.

Поскольку качки на воде все же не избежать, рама дома выполняется из стали при помощи сварки, что позволит не допустить изменение геометрии сооружения (иными словами перекосов).

Исходя из того же, отделочные работы выполняются облицовочными панелями, у которых есть возможность «свободного движения». Штукатурить и шпаклевать не рекомендуется, так как при максимальном волнении и даже временных деформациях корпуса такие поверхности пойдут трещинами. [11].

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ И ФАКТОРОВ, СПОСОБСТВУЮЩИХ ПЛАВУЧЕСТИ НЕКОТОРЫХ ПРЕДМЕТОВ

2.1 Осведомленность учащихся младших классов о причинах плавучести предметов

Нам стало интересно, что знают о плавучести предметов ученики нашей школы. Поэтому мы провели анкетирование, в котором приняли участие 83 человека, обучающиеся 4- х классов. Ребятам мы предложили ответить на несколько вопросов (приложение 1):

1. Какие бывают корабли?

2.Что помогает кораблям не тонуть? И предложили несколько вариантов ответов:

-форма;

-воздух;

-материал;

-строение.

3. Могут ли плавать дома?

Большинство ребят (38 человек (46%) из 83 опрошенных) считают, что особое строение корабля влияет на его плавучесть. 31 % (26 человек) считают, что корабли не тонут благодаря особой форме, 13 % (11 человек) ответили, что кораблям на поверхности воды помогает держаться воздух и 10% (8 человек) считают, что корабли не тонут, благодаря материалу из которого они изготовлены.

Результаты представлены в диаграмме (рисунок 4 и 5):

Рисунок 4. Что помогает кораблям не тонуть?

На вопрос «Могут ли плавать дома?» были получены следующие результаты: 64 человека из опрошенных считают, что дома не могут плавать, так как очень тяжёлые, нет паруса и мотора.

И только 19 человек из опрошенных ответили, что дома могут плавать.

Рисунок 5. Могут ли плавать дома?

Мы решили в этом разобраться практическим путём.

2.2. Проведение экспериментальных опытов

Опыт № 1 «Влияние материала, из которого изготовлены плавающие предметы на их плавучесть»

Из энциклопедии мы узнали, что основа корабля состоит из стали и железа. Палуба же покрыта деревом. А первое плавающее судно - плот был изобретен из бревен, связанных между собой веревкой. Основа плавучих домов так же состоит из металлических понтонов. Значит металлические и деревянные предметы могут держаться, на воде и не тонуть? Для ответа на этот вопрос мы провели 1 опыт: в сосуд с водой опустили предметы из металла - ложку, гвоздь и небольшой лист железа. В результате мы увидели, что все наши тела опустились на дно сосуда. Даже легкий маленький гвоздик не смог удержаться на плаву. А деревянные предметы – карандаш, ложка из дерева, небольшое бревнышко с легкостью держались на поверхности воды (приложение 2).

Мы знаем, что современные корабли сделаны из металла, отсюда следует вывод, что «плавучесть» кораблей не зависит от материала, из которого он изготовлен.

Опыт №2 « Влияние особенности строения плавающего предмета на его непотопляемость»

Далее мы решили выяснить, как влияют особенности строения плавающих предметов на их непотопляемость.

Из энциклопедии мы узнали о том, что корабль имеет продолговатую форму, чем-то напоминающую глубокую тарелку, в которой содержится много воздуха. Палубы на корабле закрывают его как крышки. Поэтому вода не попадает в него. То есть, внизу корабль заполнен воздухом. Воздух намного легче воды, а точнее плотность воздуха меньше плотности воды. У корабля образуется, как бы общая, суммарная плотность воздуха и металла. В результате этого средняя плотность корабля вместе с огромным объемом воздуха в его корпусе становится меньше плотности воды. Потому-то и не тонет тяжелый корабль. И плавучие дома строят так, чтобы понтоны (основание) так же были наполнены большим количеством воздуха.

Подтвердим это опытом №2.

Опустим в воду плоский лист металла – он сразу же тонет. Придадим ему форму лодочки. Теперь внутри нашего маленького судна есть воздух. Поэтому оно с легкостью держится на плаву.

Далее возьмем металлическую кастрюлю и опустим в ванну. Она не тонет. А теперь создадим небольшой шторм, и посмотрим, что произойдет с нашим плавающим средством. В результате «шторма» в кастрюлю стала попадать вода, и через некоторое время она пошла ко дну(приложение 2). Значит, вода вытеснила воздух из кастрюли, тем самым увеличив ее плотность. Вот почему корабли сверху покрывают надежные палубы, которые не позволяют дождевой и морской воде проникать внутрь.

Таким образом, мы доказали, что плавучесть предмета зависит от его формы, а непотопляемость корабля зависит от его строения. Но корабль потонет, если получит пробоину и заполнится водой.

Опыт №3 «Влияние воздуха на плавучесть»

Далее мы решили изучить, какие еще условия могут влиять на плавучесть тяжелых предметов.

Из литературных источников мы узнали, что вода обладает выталкивающей силой. Для подтверждения этого мы проведем опыт № 3: поместим мячик, заполненный воздухом, на дно сосуда. Мы увидим, как он с силой вылетает из воды на поверхность (приложение 2). Этот закон открыл Архимед.

Вывод: Вода выталкивает предметы. На корабль, погружённый в воду, действует выталкивающая сила. 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. На плавучий дом, основание которого заполнено воздухом, так же действует выталкивающая сила.

Опыт №4 «Влияние плотности воды на силу выталкивания»

Когда я отдыхал с родителями на море, то чувствовал вкус соли на губах. А плавать в морской соленой воде намного легче, так как кажется, будто вода сама держит мое тело на плаву. Тогда я узнал, что вода в морях соленая, а в реках и озерах – пресная. Мне стало интересно, а может ли соль влиять на плавучесть предметов.

Чтобы это узнать я провел еще один опыт №4:

Взял 2 стакана, наполнил их водой. В один стакан я насыпал 3 столовой ложки обычной соли. Далее в оба стакана положил кусочки картофеля. Оказалась, что в соленой воде картофель всплыл, а в пресной утонул. От соли плотность воды увеличилась, и она вытеснила картофель (приложение 2).

Вывод: солёная вода плотнее пресной, поэтому выталкивающая сила воды больше в солёной воде. Следовательно, в море, где вода соленая (с большей плотностью), выталкивающая сила, действующая на корабль больше, чем в реке или озере, где вода пресная, а судно может нести грузы большей тяжести.

2.3 Моделирование плавучего дома

Изучив основные условия, которые способствуют плавучести корабля, я решил построить свой собственный плавучий дом. Но пока разработал лишь модель.

Для этого мы с родителями составили чертеж будущего дома (смотреть в приложении). Затем вместе с папой смастерили из дерева стены, крышу и основание дома. Опустим его в воду. Он сразу же погрузился на дно, значит его плотность больше воды (приложение 3).

Далее мы смастерили понтон из детского конструктора, заполнили воздухом и закупорили отверстие. Нам потребовалось 6 деталей конструктора, чтобы дом смог удержаться на плаву.

С помощью клея соединили понтон с макетом дома. Все детали разместили по периметру основания дома, чтобы обеспечить непотопляемость и свести к минимуму возможные крены. Конечно, при строительстве настоящего дома необходимо пользоваться болтами, шурупами, соединять детали с помощью сварочного аппарата. А стены дома необходимо обрабатывать специальными химическими средствами, чтобы дерево не покрывалась плесенью от повышенной влажности.

После склеивания всех деталей, мы опустили дом на воду. Оказалось, что наш плавучий домик прекрасно держится на воде. Опыт мы проводили в течение 40 минут, и никаких признаков подтопления не обнаружили.

Перемещать такой домик с места на место можно при помощи длинной доски или шеста — отталкиваясь от дна. Но так далеко не уплывешь. Можно установить мотор или «подсесть» на буксир к моторной лодке. А чтобы дом не сносило течением, необходимо установить якорь.

Так же можно установить генератор для выработки электричества, тогда в доме будет свет.

В таком домике можно установить биотуалет, ванну. Но необходимо помнить о том, чтобы не навредить окружающей среде и не проводить сброс сточных вод в водоем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

«Плавучесть» кораблей и домов на воде не зависит от материала, из которого они изготовлены.

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. На плавучий дом, как и на корабль, действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной кораблем.

Выталкивающая (подъемная) сила зависит от плотности жидкости. Следовательно, в море, где вода солёная (с большей плотностью), выталкивающая сила, действующая на корабль больше, чем в реке или озере, где вода пресная.

Таким образом, наша гипотеза подтвердилась.

Цель работы достигнута, мы нашли ответ на свой вопрос «Почему плавают корабли и могут плавать дома?». Узнали много нового про кораблестроение, про свойства воды, про закон Архимеда. На основании этих знаний смогли разработать модель плавучего дома.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

Ушаков С. З. Плавание тел, детская энциклопедия, том 3 «Числа и фигуры, вещество и энергия». – Москва: «Издательство Академии Педагогических Наук РСФСР», 1961.

Горев Л.А. «Занимательные опыты по физике» М. Просвещение, 1985 г.

Большая иллюстрированная энциклопедия школьника М. «МАХАОН», 2003

Я познаю мир: Корабли- М.: ООО «Издательство Астрель», 2002г.

Сахарнов С. В. История корабля /, издательство «Малыш», 1990г.

Почему корабли не тонут? https://www.kakprosto.ru/kak-824332-pochemu-korabli-ne-tonut

Плавучий дом.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D1%83%D1%87%D0%B8%D0%B9_%D0%B4%D0%BE%D0%BC

Плавучая дача, как вариант летнего отдыха.

http://9dach.ru/zdaniya/postrojki/266-plavuchaya-dacha

Плавучие дома в Амстердаме. http://varlamov.ru/309349.html

Как построить дом на воде. https://www.stroitelstvosovety.ru/stroitelstvo-fundamenta-svoimi-rukami/kak-postroit-dom-na-vode

Плавучий понтонный дом дача на воде http://dom.dacha-dom.ru/plavuchiy-dom.shtml

Приложение 1

Анкета для обучающихся 3-4 классов

1. Какие бывают корабли?_______________________________

2. Что помогает кораблям не тонуть?

а) форма; б) воздух; в) материал; г) строение.

3. Могут ли плавать дома? Да/нет

Да, потому что____________________________________________

Нет, потому что___________________________________________

Приложение 2

Практические опыты

Опыт № 1 «Влияние материала, из которого изготовлены плавающие предметы на их плавучесть»

   

Металлические предметы опустились на дно

   

Деревянные предметы плавают

Металлические предметы утонули, а деревянные плавают

Опыт №2 « Влияние особенности строения плавающего предмета на его непотопляемость»

Плоский лист металла утонул

Придали листу металла форму лодочки – она плавает

Металлическая кастрюля не тонет, так как внутри нее есть воздух

Вода вытеснила воздух и кастрюля утонула

Опыт №3 «Влияние воздуха на плавучесть»

Мячик не тонет и плавает на поверхности

Опустили мяч на дно сосуда

   

Мяч с силой вылетает на поверхность

Опыт №4 «Влияние плотности воды на силу выталкивания»

Добавляем соль в 1 стакан

В соленой воде картофель всплыл, а в пресной утонул

Приложение 3

Моделирование плавучего дома

Чертеж плавучего дома

а) фасад (вид сбоку); б) план; в) каркас-понтон

А)

0

Б)

В)

Модель плавучего дома на воде без понтона

Моделирование понтона

Готовая модель плавучего дома

Опускаем плавучий дом на воду

   

Понтон наполовину погружен в воду

Просмотров работы: 98