Что такое плавучесть тела
Плавучесть тела: что это и от чего зависит
Физика для детей: экспериментируем с плавучестью предметов разной формы и плотности
Материалы:
Ход работы:
Сформируем пластилиновый шарик и забросим в банку с водой. Шарик сразу пойдет ко дну. Достанем его, хорошо вымесим и сформируем лодочку или лепесток с приподнятыми краями. Лодочка останется на поверхности воды, она будет стабильно плавать, пока внутрь не попадет вода. Так же ведет себя настоящий корабль.
Есть две причины, объясняющие разное поведение одинакового по весу куска пластилина.
Если погружать пластилин шариком, погружной объем будет меньше чем весь шарик. То же самое случается с кораблем, который вертикально уходит на дно. Выталкивающей силы недостаточно, чтобы удержать предмет на поверхности.
Интересный факт. Это свойство воды помогает подводной лодке погружаться и всплывать. В фазе погружения воздушные полости заполняются водой, а для сближения с поверхностью воду вытесняет сжатый воздух из специальных баллонов.
Плавучесть
Плавучесть — свойство погружённого в жидкость тела оставаться в равновесии, не выходя из воды и не погружаясь дальше, то есть плавать. Также — раздел теории корабля, изучающий плавучесть.
Содержание
Закон Архимеда
Древнегреческий учёный Архимед сформулировал закон, по которому погружённое тело плавает в равновесии, когда его вес равен весу вытесненного им объёма жидкости.
При этом сила выталкивания, по природе сила давления, зависит от плотности жидкости (ρfluid), а вес (Gravity) от плотности тела (ρobject). Обе силы являются равнодействующими распределённых нагрузок. Понятно, что чем выше плотность жидкости, тем меньшая часть тела погрузится до равновесия. Наоборот, чем больше плотность тела при заданном объёме, тем больше его масса m, и тем глубже оно погрузится.
При отсутствии поверхностного натяжения, уравнение равновесия плавающего тела будет выглядеть:
где Pobject — вес тела, g — ускорение свободного падения, Pim — вес погружённого тела.
Считают, что Архимед вывел этот закон, решая задачу определения плотности тела, не прибегая к объёмам. По легенде, ему требовалось узнать, из золота ли сделана корона, весившая столько же, сколько золотой слиток. Прямо измерить объём короны он не мог из-за её сложной формы. [1]
Плавучесть корабля (судна)
Запас плавучести
Под плавучестью корабля понимают его способность оставаться на плаву при заданной нагрузке. Эта способность характеризуется запасом плавучести, который выражается как процент объёма водонепроницаемых отсеков выше ватерлинии к общему водонепроницаемому объёму. Любое нарушение непроницаемости ведёт к снижению запаса плавучести. Для корабля (судна), у которого корпус водонепроницаем по главную палубу:
где Vн — объём подпалубных помещений над ватерлинией, Vo — весь объём подпалубных помещений.
Уравнение равновесия в этом случае имеет вид:
где P — вес судна, γ — плотность воды, V — погружённый объём, и называется основным уравнением плавучести
Физический смысл запаса плавучести — это объём воды, который судно может принять (скажем, при затоплении отсеков), ещё оставаясь на плаву. Запас плавучести 50 % значит, что водонепроницаемый объём выше ватерлинии равен объёму ниже неё. Для надводных кораблей характерны запасы 50÷60 % и выше. Считается, что чем бо́льший запас удалось получить при постройке, тем лучше.
Нейтральная плавучесть
Когда объём принятой воды (для надводного корабля) в точности равен запасу плавучести, считается что плавучесть утеряна — запас равен 0 %. Действительно, в этот момент корабль погружается по главную палубу и находится в неустойчивом состоянии, когда любое внешнее воздействие может вызвать его уход под воду. А в воздействиях, как правило, недостатка нет. В теории этот случай называется нейтральная плавучесть.
Отрицательная плавучесть
При приёме объёма воды больше чем запас плавучести (или любого груза, большего по весу) говорят, что судно получает отрицательную плавучесть. В этом случае оно неспособно плавать, а может только тонуть.
Поэтому для судна устанавливается обязательный запас плавучести, который оно должно иметь в неповреждённом состоянии для безопасного плавания. Он соответствует полному водоизмещению и маркируется ватерлинией и / или грузовой маркой.
Гипотеза прямобортности
Для определения влияния переменных грузов на плавучесть пользуются допущением, при котором считается, что прием малых (менее 10 % водоизмещения) грузов не меняет площадь действующей ватерлинии. То есть изменение осадки считается так, словно корпус является прямой призмой. Тогда водоизмещение прямо зависит от осадки.
Исходя из этого, определяется фактор изменения осадки, обычно в т/см:
где S — площадь действующей ватерлинии, q означает величину изменения нагрузки в тоннах, необходимую для изменения осадки на 1 см. При обратном расчете он позволяет определить, не вышел ли из допустимых пределов запас плавучести.
Плавучесть
Тело остается на плаву, если влияющая сила плавучести сбалансирует его вес.
Задача обучения
Основные пункты
Термин
Почему одни тела держатся на воде, а другие – нет? Положите монетку в стакан с водой, и она пойдет ко дну. Но ведь многие корабли состоят из метала и плавают. Как так?
Состояние плавучести
Объект будет плавать, если влияющая на него сила плавучести сбалансирует вес: FB = mg. Согласно принципу Архимеда, сила плавучести отображает вес перемещенной жидкости. То есть, только при определенных обстоятельствах плавучесть приравнивается к весу объекта. Давайте взглянем на железный блок весом в 1 тонну. Железо по плотности в 8 раз превосходит воду, то есть вытесняет 1/8 тонны воды. Этого недостаточно, чтобы оставаться на плаву. А теперь переделаем блок в чашу. Вес остался прежним, но вытесненный объем воды увеличился. Чем глубже погружение, тем больше вытесняется воды, и тем активнее влияет сила плавучести. Как только плавучесть сравняется с тонной, тело прекратит погружение.
Когда лодка вытесняет равное своему весу количество воды, она может плавать. Это именуют «принципом плавучести». Любой плавательный механизм должен создаваться так, чтобы соответствовать этому принципу. Судно на 3 тонны обязано обладать необходимой шириной, чтобы вытеснить 3 тонны воды. То же самое касается и дирижабля, но речь уже идет о вытесненном воздухе.
Плавучесть и плотность
В принципе Архимеда плотность занимает решающее место. От средней плотности зависит то, сумеет ли объект плавать. Дело в том, что жидкость с большей плотностью обладает и большей массой, а значит увеличивается вес при том же объеме. Если тело плотнее жидкости, то утонет. Степень углубления зависит от связи между плотностями тела и жидкости. У корабля без груза плотность меньше, и он не так сильно «проседает» в воде. Все это можно выразить в виде формулы:
Судно без груза (a) располагается выше на уровне воды, чем загруженное (b)
Погруженный объем приравнивается к объему смещенной жидкости (Vfl). Сейчас можно добыть соотношение между плотностями, добавив в выражение p = mV =
( ρ obj – средняя плотность объекта, ρfl – плотность жидкости). Объект плавает, поэтому его масса и смещенная жидкость равны и отменяют уравнение:
Важно отметить два момента:
Основные физические законы для водной среды
Основные физические законы для водной среды
Известно, что главным фактором, определяющим технику плавания, являются некоторые физические законы, в частности законы гидростатики и гидродинамики.
Под статическим плаванием следует понимать такое плавание, при котором на тело человека, находящегося в воде без движений, действуют две силы: сила тяжести (вес тела), направленная вниз, и подъемная сила воды, действующая кверху.
В зависимости от соотношения силы тяжести (FT) и подъемной силы воды (FB) могут быть три случая положения тела в воде: а) если FT больше, чем FB, то тело тонет; б) если FT равно FB, то тело находится в нейтральном положении (состояние равновесия); в) если FT меньше, чем FB, то тело всплывает на поверхность воды.
У человека различают вертикальную и горизонтальную плавучесть. При вертикальной плавучести силы FT и FB расположены вдоль продольной оси тела, а при горизонтальной они перпендикулярны к этой оси. Горизонтальная плавучесть оказывает положительное влияние на технику плавания.
Плавучесть зависит от удельного веса тела человека.
Обычно удельный вес тела человека при полном вдохе составляет 0,97, при полном выдохе-1,2, а при нормальном вдохе соответствует удельному весу воды, т. е. не превышает 1,0.
На плавучесть тела человека оказывает большое влияние степень погружения частей тела в воду. Наибольшая плавучесть наблюдается тогда, когда тело человека погружено в воду. В этом случае подъемная сила давления воды будет максимальной. Если пловец поднял из воды голову или руку, то он уменьшил подъемную силу воды на величину веса воды, объем которой равен объему головы или руки. Так как вес тела есть величина постоянная, не зависящая от степени погружения частей тела в воду, то вес руки или головы будет той силой, которая в данном случае уменьшит плавучесть и будет способствовать движению всего тела вниз.
Именно поэтому в спортивном плавании поворот или поднимание головы для вдоха, а также пронос рук над водой произ Равновесие тела
Если между ОЦТ и ОЦП по горизонтали имеется расстояние, равное L, то при равенстве сил FT=FB=F на тело будет действовать момент пары сил M=>FL. Этот момент будет вращать тело человека до тех пор, пока оно не примет вертикального положения.
Значит, для того чтобы тело пловца находилось в состоянии горизонтального равновесия, необходимо, чтобы момент пары сил обращался в нуль при горизонтальном положении тела. Этого возможно достигнуть лишь в тех случаях, когда ОЦТ и ОЦП совпадут или будут находиться в непосредственной близости друг от друга (1-2 см). В последнем случае момент пары сил будет незначительным и им можно пренебречь.
Следует особо отметить, что искусственное сближение у пловца ОЦТ и ОЦП за счет изменения положений конечностей и перегруппировки мышечных напряжений не приводит к положительным результатам, так как в технике плавания воспользоваться указанными действиями для достижения равновесия тела под влиянием статических сил не представляется возможным. Поэтому пловцы с «тяжелыми» ногами могут сохранять горизонтальное положение тела на поверхности воды за счет дополнительных мышечных усилий, развиваемых ногами пловца при поступательном движении.
Таким образом, для спортивного плавания необходимо отбирать таких людей, у которых была бы ярко выражена горизонтальная устойчивость тела (постоянное или длительное равновесие).
Динамическим плаванием называется поступательное движение пловца, при котором на его тело действуют четыре силы: силы тяжести (FT), подъемная сила (Р), сила тяги (FTяги) и сила встречного сопротивления (R). Сила тяжести является постоянной гидростатической силой. Величины остальных трех сил меняются в зависимости от различных причин, которые рассматриваются ниже. Подъемная сила является результирующей: она состоит из рассмотренной ранее гидростатической подъемной силы воды и некоторых гидродинамических подъемных сил. Гидродинамическая сила встречного сопротивления возникает в результате поступательного движения пловца в воде, которая имеет большую плотность и вязкость. Основным условием динамического плавания является реакция опоры (воды), которая возникает на гребущей поверхности в результате движения конечностей. Эта реактивная сила и будет гидродинамической силой тяги.
Гидродинамическая сила встречного сопротивления воды не является постоянной. Она изменяется в зависимости от скорости продвижения пловца, его миделева сечения формы тела и плотности среды.
При движении пловца с равномерной скоростью общий закон сопротивления водной среды может быть выражен следующей формулой: R=1/2*CpSV 2
Формула показывает, что сопротивление воды возрастает, если ее плотность, т. е. масса частиц, заключенных в одной объемной единице, увеличивается. Такое сопротивление повышается по закону прямой пропорциональности: если плотность воды увеличить в 1,3 раза, то и сопротивление движению в ней человека увеличится в 1,3 раза. На величину встречного сопротивления оказывает большое влияние миделево сечение пловца, которое также изменяет сопротивление воды по правилу прямой пропорциональности: чем меньше величина миделева сечения, тем меньше величина встречного сопротивления. Это правило требует, чтобы тело пловца в любом способе плавания принимало горизонтальное положение, при котором миделево сечение будет минимальным. Однако, учитывая некоторые необходимые колебания тела пловца вокруг поперечной оси в пределах одного цикла движений, следует рекомендовать располагать тело на поверхности воды под определенными углами в зависимости от способов плавания, скорости движения пловца и его индивидуальных особенностей. Из формулы видно, что сопротивление воды изменяется пропорционально квадрату скорости движения пловца. Это значит, что если пловец увеличил скорость движения в 1,5 раза, то сопротивление воды возрастает в 2,25 раза. Известно также, что любое изменение скорости связано с появлением ускорения, которое приводит к возникновению дополнительной гидродинамической силы сопротивления (Рдоп=ma).
Указанная зависимость сопротивления от изменения скорости плавания приводит к выводу о том, что техника плавательных движений и методика подготовки пловца должна обеспечить ему проплывание всех отрезков дистанции с одинаковой скоростью и приблизить к равномерной скорость продвижения пловца внутри каждого цикла в любом способе плавания.
Рассмотренное выше гидродинамическое сопротивление воды возникает в результате действия двух видов сопротивлений: сопротивления трения и сопротивления нормального давления. Последнее слагается из вихревого и волнового сопротивления.
Сопротивление трения возникает в результате взаимодействия поверхности тела с водой, обладающей свойством вязкости. Существует два вида трения: внешнее и внутреннее.
Внутренним трением называется трение частиц воды между собой.
Свойство вязкости воды таково, что оно позволяет соседним слоям скользить относительно друг друга. Наибольшую скорость движения имеют те слои воды, которые располагаются ближе
к пловцу: здесь скольжение одного слоя относительно другого минимальное. По мере удаления слоев воды от поверхности тела пловца скольжение увеличивается, а скорость движения воды падает. В результате трения пловец приводит в движение около одного кубометра воды, непроизводительно расходуя определенное количество своей энергии.
Трение можно уменьшить, если принять более высокое положение тела на поверхности воды. Этого можно достигнуть за счет повышения эффективности гребковых движений, которые в свою очередь повышают скорость плавания. Кроме этого, в целях уменьшения трения пловцы тренируются и выступают в соревнованиях в плавательных костюмах, изготовленных из материала, имеющего малый коэффициент трения (шелк, капрон, водоотталкивающая ткань и др.).
Плавание. Сопротивление вихреобразования Вихревое сопротивление возникает в связи с разностью сил давления воды впереди и сзади пловца. Когда пловец перемещается в воде, то впереди него образуется область повышенного давления, в которой он приводит в движение частицы воды. На это затрачивается определенная часть его энергии. В это же время сзади пловца образуется область пониженного давления. Попав в область пониженного давления, частицы воды по закону трения «прилипают» на мгновение к нижней поверхности тела (ногам) и некоторое время движутся вперед. В следующий момент эта часть воды отрывается (отстает) от нижней поверхности тела и на ее место поступают новые порции воды, движущиеся непрерывно спереди назад. Далее они также изменяют направление движения на обратное и т. п. Для того чтобы непрерывно изменять направление движения этих частиц воды, т. е. преодолевать вихревое сопротивление, пловец должен затрачивать большое количество энергии.
Величина вихревого сопротивления зависит от скорости и формы тела. Проделаем следующий опыт. Возьмем неполный цилиндр (рис 3) и будем двигать его в воде с равномерной скоростью. Полученное сопротивление примем за единицу. Если закруглить передний конец у цилиндра и замерить его сопротивление при той же скорости, то оно уменьшится в 2,5 раза; если закруглить задний конец, то сопротивление будет в 3,5 раза меньше; если закруглить оба конца, то сопротивление уменьшится в 5 раз, а / если придать цилиндру сигарообразную форму, сохранив при этом миделево сечение, то сопротивление уменьшится в 25-30 раз.
Отсюда следует, что для уменьшения вихревого сопротивления необходимо улучшить обтекаемость тела пловца: определить оптимальные пределы положения тела на поверхности воды (углы «атаки»), правильный угол выноса рук вперед во время подготовительных движений, уменьшить выход ног из плоскости тела, найти оптимальный прогиб в пояснице и др.
Волны образуются под действием сил тяжести частиц воды в результате движения тела пловца, а также ударов по воде руками и ногами. В результате этих явлений частицы воды поднимаются выше обычного уровня ее поверхности и затем опускаются вниз. Для того чтобы поднять частицы воды выше уровня ее поверхности, пловец расходует часть своей энергии. Кроме того, он затрачивает энергию на преодоление волн и на удержание собственного равновесия в результате дополнительного раскачивания.
Таким образом, волновым сопротивлением называется та часть полного сопротивления воды, которая приходится на образование и преодоление волн.
Размеры волн зависят от формы тела, его колебаний, амплитуды движений руками и ногами, скорости движения тела, а также от глубины и размеров бассейна. Уменьшения волнового сопротивления можно достигнуть за счет создания наиболее устойчивого горизонтального положения тела, быстроты опускания рук в воду, уменьшения величины поднимания из воды ног, а также за счет нахождения оптимального темпа.
Плавание. >Подъемная сила и сила тяги Рассмотрим вопрос о возникновении подъемной силы и силы тяги при поступательном движении. Возьмем пластинку Подъемная сила и сила тяги» target=»_blank»>(рис. 4), которая имеет незначительную толщину (h->0), и поместим ее
Рассмотрим, как изменяются силы Rj, Fx, Fy и F Tp при различных значениях угла а.
1. Если угол а равен нулю, то Rj = 0. Следовательно, Fx=0 и Fy=0, а сила F TP =R. В этом случае отсутствует вихревое и волновое сопротивление.
2. Если угол а равен 45°, то Rj = F Tp =0,7R. Силы Fx=Fy= R/2
В этом случае наблюдается действие всех видов сопротивления: общее сопротивление значительно превышает его величину при угле а=0.
3. Если угол а равен 90°, то Rj=R, но так как Fy=0, то FX=R. В этом случае действует сила горизонтального давления, есть вихри и волны, а общее сопротивление является наибольшим.
Сопоставляя все три варианта положения пластинки, можно сделать вывод о том, что наилучшее положение ее при движении в воде будет такое, при котором она приближается к горизонтальному положению (угол а=3-5°), так как в этом случае будут действовать необходимая поддерживающая гидродинамическая сила, малая сила горизонтального давления и почти максимальная сила трения.
Теперь представим себе, что вместо пластинки в воде с помощью внешней силы тяги F тяги с равномерной скоростью движется человек. Тогда при горизонтальном положении на него, кроме силы трения, будет действовать отрицательная сила горизонтального давления Fx, которая возникает в связи с наличием у человека миделева сечения.
Теоретически горизонтальное положение пловца в воде будет наилучшим, так как сопротивление будет наименьшим, а плавучесть обеспечивается действием гидростатической подъемной силы. Однако в связи с наличием миделева сечения и наклоном нижней поверхности тела положение пловца в воде определяется положительными (а в отдельных случаях и отрицательными) углами «атаки», которые колеблются в пределах от 0 до 12° и обеспечивают постоянное действие гидродинамической подъемной силы.
Сила тяги при гребке прямой рукой» border=»0″ align=»left» border=»0″ vspace=»5″ hspace=»17″>Плавание. Сила тяги при гребке прямой рукой Мы рассмотрели силы сопротивления, возникающие при движениях пластинки и пловца в результате действия внешней силы тяги. Однако пловец в воде передвигается за счет движений конечностей, работу которых обеспечивают мышечные силы. При движении конечностей в воде на их поверхностях появляются реактивные силы, действующие в противоположном направлении движению конечностей и продвигающие тело пловца вперед.
Рассмотрим, как возникает сила тяги при гребке прямой рукой (рис. 5). Наибольшее сопротивление при движении руки в воде испытывает кисть, так как она по отношению к плечевому суставу движется с наибольшей скоростью. Если учесть при этом, что сопротивление возрастает в квадрате к изменению скорости движения кисти, то станет ясно, почему кисть является основной гребущей поверхностью.
В середине гребка вся реактивная сила становится равной силе тяги Fтяги. В конце гребка реактивная сила R состоит из силы тяги и топящей силы (К).
Поскольку пловец постоянно испытывает действие подъемных сил, возникающих на основании закона Архимеда, а также в связи с действием встречного сопротивления (при положительном угле «атаки»), ему следует во время гребков обеспечить увеличение силы тяги (Ттяги) и уменьшить действие подъемной и топящей сил. Такая задача решается путем сгибания руки в локтевом и лучезапястном суставах. В этом случае кисть руки движется в воде поступательно на более длинном участке гребка, обеспечивая на этом отрезке пути действие лишь одной силы тяги.
Удельный вес и плавучесть тела
Удельный вес и плавучесть тела [ править | править код ]
Удельным весом называется вес вещества в единице объема. Удeльный вес в системе СИ измеряется в Н/м3 (1 Н/м3 = = 0,102 кгс/м3) и находится по формуле
где Р — вес тела, Н; V— объем тела, м3.
По размерности плотность и удельный вес воды мало различаются и незначительно изменяются в зависимости от давления и температуры воды.
Удельный вес дистиллированной воды равен 1020 кгс/м3, или 1 кгс/дм3, или 1 гс/см3. Удельный вес воды, насыщенной солями, больше, чем пресной. Так, морская вода имеет удельный вес от 1,15 до 1,3 гс/см3.
Согласно закону Архимеда на тело, погруженное в воду, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной телом жидкости. Равнодействующая этих выталкивающих сил проходит через центр тяжести вытесненного объема и направлена вертикально вверх.
Если вес тела больше вытесненной им воды, то тело имеет отрицательную плавучесть и погружается на дно.
Если вес вытесненной телом воды больше веса тела, то тело плавает по поверхности воды, и в этом случае оно имеет положительную плавучесть.
Если вес вытесненной телом воды равен весу тела, то тело может находиться в неподвижном положении на любой глубине. Такая плавучесть называется нейтральной, или нулевой. Нулевой плавучести практически не бывает, как не бывает абсолютного равенства между весом тела и весом вытесненной им воды.
Удельный вес человеческого тела при полном вдохе в среднем равен 0,92 гс/см3, при выдохе в связи с уменьшением объема тела — 1,2 гс/см3. Наибольший удельный вес в теле человека имеет костная ткань — 1,7 —1,9 гс/см3, меньше — удельный вес мышечной ткани — 1,04—1,08 гс/см3 и самым малым удельным весом отличается жировая ткань — 0,92 — 0,94 гс/см3.
Так как удельный вес морской воды больше, чем пресной, человек в ней обладает большей плавучестью, и его тело лежит более высоко, чем в пресной воде. В связи с этим в морской воде можно плыть быстрее. По этой причине Международная федерация плавания не фиксирует рекордных результатов, показанных в морской воде.
Плавучесть тела имеет большое значение при решении вопроса, какую формировать технику движений. Пловцы с хорошей плавучестью для удержания тела в высоком положении тратят меньше усилий для этого при гребке. У таких пловцов относительные траектории движений рук при гребках вытянуты в горизонтальной плоскости, у пловцов с меньшей плавучестью больше усилий затрачивается на опору руками вниз. Замечено, что плавучесть у мужчин меньше, чем у женщин, у спринтеров — меньше, чем у стайеров. Критерий плавучести можно использовать для определения как специализации в плавании, так и характера технических действий.