Полено, плавающее плашмя, находится в устойчивом равновесии, или, как говорят судостроители, обладает остойчивостью. Остойчивость должна быть и у корабля.
На рисунке 10 слева схематически изображен корабль, который от качки и от ветра накренился. Величина выталкивающей силы при этом не изменилась, так как объем погруженной части у правого борта корабля увеличился настолько же,
насколько уменьшился слева от осевой линии. Правая часть корабля вытесняет больше воды, чем левая, значит, и центр тяжести вытесненного объема жидкости тоже переместился вправо от осевой линии. Оказывается, центр давления «путешествует»! Только это и создает устойчивость. На рисунке видно, что вес и выталкивающая сила образуют пару сил, которая стремится вернуть корабль в положение устойчивого равновесия. Игла, точка опоры которой ниже центра тяжести, не может стоять на зеркале вертикально.
Когда речной буксир тянет баржу, видно и на глаз, что он намного больше ее. Но моряки определяют размеры судна точной цифрой: не длиной и шириной, а водоизмещением. Если водоизмещение судна 5 тыс. т, это значит, что столько весит вытесненная им вода, когда оно нагружено до нормы. Вес корабля с грузом также равен в этом случае 5 тыс. т — ведь когда тело плавает, его вес равен весу вытесненной жидкости. На обшивке судна обычно делают отметку, соответствующую его погружению при полной нагрузке. Но если корабль перейдет из одного океана в другой, где вода более соленая, уровень его погружения станет меньше. Водоизмещение, равное весу судна, при этом, понятно, не изменится, но глубина погружения станет меньше. На обшивке судна поэтому делают не одну, а несколько отметок в зависимости от солености воды в различных морях.
Чем больше водоизмещение корабля, тем больше груза он может взять на борт. Водоизмещение в современном судостроении непрерывно увеличивается: у советского танкера «София» водоизмещение 62500 т, в Японии строится танкер «Ниссо мару» водоизмещением в 132 000 т! Это примерно в три раза больше, чем водоизмещение каждого из таких гигантов Атлантики, как «Иль-де-Франс» (45 000 т), «Нормандия» (46 000 т), и почти в два раза больше водоизмещения «Куин Мери» (81 000 т).
Мы установили, что при крене корабля центр давления смещается от осевой линии в ту же сторону. При этом обычно возникает пара сил, которая стремится вернуть корабль в положение равновесия. Удастся или не удастся этим силам выровнять корабль, зависит от многих причин: от формы корабля, от того, как он нагружен и какой крен он сделал. Если трюм корабля правильно нагружен и борта его достаточно высоки. то даже большой крен кораблю не страшен. Когда же основная масса груза расположена на палубе, а трюм почти пустой, даже небольшой крен может стать причиной гибели судна.Точка М, в которой выталкивающая сила пересекается с осью корабля, называется метацентром. Если метацентр расположен выше центра тяжести судна — корабль устойчив, если ниже — неустойчив. На рисунке 10 слева изображен крен судна с правильно нагруженным трюмом. Центр тяжести корабля находится сравнительно близко от киля и расположен ниже метацентра. Справа на том же рисунке — крен судна с перегруженной палубой и пустым трюмом. Центр тяжести судна находится сравнительно ближе к палубе и расположен выше метацентра. В этом случае сила тяжести и выталкивающая сила опрокидывают корабль. Чем выше метацентр над центром тяжести, тем большей остойчивостью обладает судно.
Силу, действующую на какое-либо тело, можно представить приложенной к одной его геометрической точке. Так, например, сила земного притяжения (вес) приложена к центру тяжести тела. Выталкивающая сила тоже приложена к определенной точке — к так называемому центру давления. Эта точка находится в центре тяжести вытесненного телом объема жидкости.
Деревянный брусок, например обыкновенное полено, не может плавать стоймя. Сколько бы мы ни пробовали установить его вертикально, упрямое полено будет падать набок и плавать только плашмя. Как видно на рисунке 9, центр давления находится ниже центра тяжести. Стоит полену чуть отклониться от вертикали, как возникает пара сил, которая уводит его еще дальше от вертикального положения. Теперь нам стали понятными причуды упрямого полена. Оказывается, его поведение диктуется неумолимыми законами физики.
У подводной лодки такелаж, нулевая плавучесть, т. е. ее средняя плотность, в точности равняется плотности воды. Чтобы нырнуть на дно, она должна уменьшить свою плавучесть, а чтобы подняться на поверхность — увеличить ее. У обычного надводного корабля должна быть положительная плавучесть, чтобы он мог нести свои надстройки, находящиеся под водой на одном и том же горизонтальном уровне, грузы и людей, не погружаясь в воду.
Почему плавает на поверхности воды дерево? Ведь плотность целлюлозы, из которой состоит древесина, выше плотности воды— 1,5 г/см3. Помните описанный в начале статьи опыт, когда ученые подвергли деревянный брусок колоссальному сжатию и тот уже не смог плавать? Дерево плавает потому, что в нем есть воздух Давление воды вытеснило этот воздух, и дерево потеряло плавучесть. Намокшие стволы деревьев тонут в воде. Плот, сделанный из деревьев, обладает положительной плавучестью, пока он не намок. Хейердал и его спутники на «Кон-Тики» пережили немало тревожных дней, наблюдая, как намокают бальзовые бревна, из которых был сооружен их плот.
Наибольшая глубина в Мировом океане— 11 км. Подводные же лодки не могут опускаться ниже 250 м; их корпус не выдержал бы большое давление воды. Ведь на такой глубине на каждый квадратный сантиметр поверхности лодки давит сила примерно в 250 н. Давление здесь в 20 с лишним раз больше атмосферного. Образно говоря, подводная лодка движется только под самым «потолком» океана.
В еще худшем положении находится водолаз. Если его скафандр сделан из мягкой водонепроницаемой ткани, то внешнее давление воды передается через ткань на человека. Ниже 150 м он опуститься не может. Поэтому был создан жесткий скафандр. Он представляет собой как бы прочный футляр и защищает от давления воды. В нем водолаз дышит воздухом с нормальным атмосферным давлением. Водолаз внешне напоминает закованного в латы средневекового рыцаря. Такие скафандры дают возможность опускаться до 250 м, но они неудобны для работы под водой. Их используют главным образом для осмотра предметов, лежащих на дне. Сейчас необходимость в них уже миновала: для осмотра дна используют телевизионные камеры, погружаемые на дно.
Человек издавна мечтал «акклиматизироваться» в океане. В научно-фантастическом романе А. Р. Беляева «Человек-амфибия», написанном в 20-х годах, ребенку сделали операцию, после которой он мог дышать не только легкими, но и жабрами. На глазах у человека-амфибии были большие выпуклые очки, а одежда его состояла из сверкающей чешуи. В наши дни эта фантазия писателя уже близка к осуществлению. За последние годы большое развитие получило подводное плавание. Люди часами плавают под водой, изучая жизнь моря и его обитателей. На ногах у них резиновые ласты, глаза и нос закрыты водонепроницаемой полумаской, а во рту мундштук, соединенный с находящимся за спиной аппаратом с баллонами сжатого воздуха — аквалангом.
В переводе на русский язык «акваланг» — подводные легкие. Средняя плотность аквалангиста со всем его оборудованием очень близка к плотности воды. Изменяя объем воздуха в своих легких, аквалангист может в небольших пределах изменять свою плавучесть, т. е. подниматься или погружаться.
Аквалангисты спускаются под воду не только для исследования растительной и животной жизни океана, но и для подъема затонувших грузов, и для археологических работ. Плавание под водой и подводная охота на рыб стали новым видом спорта. Аквалангисты могут достигать глубин до 100 м.
Один из пионеров подводного плавания — француз Ив Кусто сконструировал подводный скутер, который может тянуть человека под водой со скоростью 10 км/час.
Тело плавает когда его вес уравновешен выталкивающей силой. Тело не тонет, не всплывает и
может находиться в жидкости на любой глубине так как плотность жидкости мало меняется с увеличением давления. Так плавают рыбы,
морские животные, подводные лодки, батискафы, так может плавать и человек.
Вес плавающей рыбы в точности равен весу вытесненной ею воды. В любом живом организме 90 и даже более процентов воды, так что его средняя плотность мало отличается от плотности воды.Человеку, подводной лодке, кораблю плавать в воде помогает... воздух! Проведем несложный расчет. Плотность стекла, из которого сделана бутылка, равна 2,2 г/см3; плотность воды — 1 г/см3. Следовательно, стекло в воде пойдет ко дну. Но если стеклянная бутылка, наполненная воздухом, плотно закрыта пробкой, она будет плавать на поверхности воды. Масса стеклянной литровой бутылки равна примерно 0,5 кг; масса воздуха, заключенного в ней,— около 1 г, а средняя плотность закупоренной бутылки с воздухом — 0,501 г/см3 (501г/1000см3) ,т. е. вдвое меньше плотности воды.
Налив в бутылку некоторое количество воды, мы можем сделать ее среднюю плотность в точности равной плотности воды. Такая бутылка сможет плавать в воде на любой глубине.
Средняя плотность бутылки, заполненной одним воздухом, меньше, чем плотность жидкости; она не может плавать на любой глубине и будет вытолкнута на ее поверхность. Объем ее погруженной в воду части уменьшается, так как часть бутылки окажется над водой. Поэтому и выталкивающая сила уменьшится и станет в точности равной весу бутылки с воздухом.
Подводная лодка плавает на любой глубине, не опускаясь и не поднимаясь, если ее средняя плотность равна плотности морской воды. Чтобы получить среднюю плотность подводной лодки, нужно сложить массы ее корпуса, двигателей, людей и воздуха, находящегося в ней, и разделить полученную сумму на объем, занимаемый лодкой.
Набрав в балластные цистерны воду, подводная лодка погрузится в глубину моря; ее средняя плотность станет больше плотности морской воды. Если же выдавить сжатым воздухом воду из балластных цистерн, подводная лодка всплывет. Объем подводной лодки всегда один и тот же. Она изменяет среднюю плотность, увеличивая или уменьшая свою массу, заполняя свои цистерны воздухом или водой. Запас сжатого воздуха всегда должен быть в подводной лодке, без него она не сможет поддерживать свою плавучесть и всплыть на поверхность воды.
Легендарные рассказы об исторических личностях, пусть и не всегда в точности соответствуют фактам, очень интересны и запоминаются на всю жизнь. О древнегреческом ученом Архимеде и его открытиях возникло много легенд. Вот одна из них.
Гиерон, завоевав царский престол в сицилийском городе Сиракузах, решил в благодарность за эту свою удачу принести в дар богам золотую корону. Он заказал ее мастеру и приказал отвесить ему нужное количество золота. Тот к назначенному сроку приготовил корону. Вес ее точно соответствовал весу отпущенного золота. Но царю донесли, что мастер частично подменил золото серебром. Гиерон разгневался, но, поскольку сам не мог найти способ уличить мастера, обратился за помощью к Архимеду.
Как рассказывают, Архимед сделал два слитка — один из золота, другой из серебра —каждый такого же веса, какой был у короны. Затем наполнил водой сосуд до самых краев, опустил в него серебряный слиток и отметил, сколько воды тот вытеснил.То же самое он проделал и со слитком золота. Объем золотого слитка оказался меньше, чем у равного ему по весу слитка серебра. Затем Архимед опустил в сосуд корону: воды вытекло больше, чем от золотого слитка, и меньше, чем от серебряного. Сравнив три полученных объема вытесненной воды, Архимед рассчитал, сколько золота и сколько серебра пошло на изготовление короны. Так была доказана вина мастера.
Два обстоятельства важны в этой легенде. Во-первых, Архимед нашел способ измерять объемы твердых тел со сложной формой. Во-вторых, он сопоставил веса различных веществ не друг с другом, а с весом воды, т. е. впервые обратил внимание на свойство физических тел, которое мы теперь называем плотностью пли удельным весом. Это само по себе было уже большим открытием. Работы Архимеда отличаются простотой и доступностью для понимания. Многие выведенные им законы легли в основу современной науки. Слава его недаром сохранилась до наших дней.
Архимед открыл три закона, которые стали основой науки о плавании тел:
1. Тела, имеющие при равном объеме равный с жидкостью вес, плавают, полностью погружаясь в жидкость.
2. Тела, более легкие, чем жидкость, при погружении в нее стремятся кверху с силой,
равной разности между весом жидкости, взятой в объеме тела, и весом самого тела.
3. Тела тяжелее жидкости и опущенные в нее тонут. Пребывая в жидкости, они теряют в
своем весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объеме тела.
В жидкость помещен куб. Давление на одной и той же глубине одинаково, поэтому силы давления, действующие на его боковые грани, уравновешиваются. Сила давления, действующая на верхнюю грань, меньше силы, действующей на нижнюю грань, потому что эти грани расположены на разной глубине,— чем глубже, тем давление в жидкости больше. Значит, равнодействующая всех сил, действующих со стороны жидкости на куб, направлена вертикально. Это и есть выталкивающая сила.
Для такого простого случая выталкивающую силу рассчитать нетрудно. Но если куб расположен в воде наклонно, рассчитать выталкивающую силу гораздо труднее. Если же у тела, опущенного в воду, неправильная форма, для расчета выталкивающей силы уже надо применить высшую математику.
Впрочем, можно найти более легкий и короткий путь. Возьмем себе в проводники знаменитого голландского математика и физика Стевина. В конце XVI в. вышла его книга, в которой дан простой и наглядный прием для определения выталкивающей силы. Позже этот прием, правда, в несколько измененном виде, стали называть принципом отвердевания.
Представим себе, что в сосуде с жидкостью какая-то часть ее неправильной формы затвердела, но вес этой части остался неизменным. Затвердевшая» часть не всплывет и не опустится на дно. Следовательно, ее вес Р уравновешивается силой F, т. е. силой давления со стороны оставшейся жидкости.
Мысленно удалим «затвердевший» объем жидкости и вставим на его место твердое тело (из металла) точно такого же объема и формы. Жидкость будет «обманута» Ведь для нее ничто не изменилось, и она будет давить на это тело с такой же силой, как
раньше давила на жидкость.
Жидкость давит на предмет, опущенный в нее, и снизу вверх, и сверху вниз, и в любом другом направлении. Но сила, с которой она давит, различна и зависит от того, насколько глубоко опущен предмет в воду. Деревянный брусок, опущенный в море на метровую глубину, всплывет и останется таким же, но на дне океана давление воды изменит его свойства.
Ученые проделали опыт: на прочном тросе опустили глубоко в море металлическую клетку, внутри которой был положен кусок дерева. Когда клетку вынули на поверхность, оказалось, что колоссальное давление воды так сильно сжало кусок дерева, что он потерял способность плавать и тонул в воде. Недаром же человек, глубоко нырнувший, чувствует боль в ушах: вода давит на барабанную перепонку. Давление внутри жидкости равно ее удельному весу (d), умноженному на высоту ее столба (К), Из этого следует, что в любой точке на
одной и той же глубине давление в жидкости одинаково , и чем глубже, тем давление больше.
Если сравнить давления, создаваемые водой т ртутью, то окажется, что столб ртути давит в 13,6 раза сильнее, чем столб воды такой же высоты, так как удельный вес ртути в 13,6 раза больше удельного веса воды. Но в одной PI той же жидкости,
на одной и той же глубине при различных атмосферных условиях давление может быть неодинаковым. На высокой горе оно меньше, чем у поверхности моря. Ведь к давлению жидкости добавляется давление воздуха на ее поверхность.