Физика · 7 класс. Изучите схему, разберите примеры и проверьте себя.
Почему плавает металлическое судно
Судно вытесняет воду своим погружённым объёмом. В равновесии без иных существенных вертикальных сил выталкивание уравновешивает общий вес корпуса и нагрузки. Закрытые объёмы с воздухом позволяют получить достаточный внешний объём при сравнительно меньшей средней плотности. Это не изменение плотности самой стали.
Нагрузка и осадка
При добавлении груза и сохранении плавания масса растёт, поэтому увеличивается вытесненный объём. В той же жидкости ΔV = Δm/ρж. Например, дополнительные 50 кг в воде плотностью 1000 кг/м³ требуют ещё 0,05 м³ = 50 л вытесненной воды. Осадка обычно растёт, но её изменение зависит от формы корпуса.
Модель вертикальных бортов
Если у понтона вертикальные борта и постоянная площадь ватерлинии S, небольшой прирост объёма связан с изменением осадки: ΔV = SΔh. Для груза 50 кг в воде и S = 1 м² получаем Δh = 0,05 м = 5 см. В задаче отдельно предполагается, что понтон продолжает плавать и геометрическая модель подходит. У произвольного реального корпуса S может меняться.
Подводная лодка и балласт
Для полностью погружённого жёсткого закрытого корпуса в одной однородной воде при неизменном внешнем объёме сила Архимеда приблизительно постоянна. Приём балластной воды увеличивает общий вес, удаление уменьшает. Это помогает менять соотношение сил. Реальное движение лодки зависит также от иных сил и устройства; школьная модель выделяет именно массу и вытеснение.
Воздухоплавание
На воздушный шар действует выталкивание воздуха. Его сравнивают с общим весом оболочки, газа внутри и груза. Например, при плотности воздуха 1,2 кг/м³, объёме 100 м³ и g = 10 Н/кг сила Архимеда 1200 Н. Если весь вес системы меньше 1200 Н, при соответствующих условиях результирующая направлена вверх. Нельзя забывать массу газа внутри шара.
Границы применения
Плотность воздуха и объём мягкой оболочки могут меняться с высотой, поэтому подъём нельзя объяснять неизменными данными на любом протяжении. Для судна важны герметичность, распределение нагрузки и устойчивость, а не только одно равенство вертикальных сил. В численных заданиях этого урока явно задаются свободное равновесное плавание, плотность среды и необходимые геометрические условия.
Проверьте себя
Груз 50 кг добавлен на плавающий понтон в воде 1000 кг/м³. На сколько вырос вытесненный объём?
0,05 м³ = 50 л при сохранении свободного равновесия.
Площадь ватерлинии постоянна и равна 1 м². Прирост объёма 0,05 м³. Прирост осадки?
0,05 м = 5 см.
У полностью погружённого жёсткого закрытого корпуса в одной воде неизменный Vвнеш. Балласт обязательно увеличивает FА?
Нет, он увеличивает общий вес; FА в простой модели остаётся прежней.
При расчёте подъёма воздушного шара учитывают газ внутри?
Да, его масса входит в общий вес системы.