Гидроаеромеханика і плавучість, кораблі

Одні з найскладніших видів руху завжди оточували і оточують нас. Це вітер - переміщення мас повітря - і протягом води. Але, навіть перебуваючи в спокої, дві стихії постійно змушували людину розгадувати загадки.

Чому плавають риби? Чому не падають на землю птиці? Як побудувати корабель, щоб він не перекинувся? Чи можна зробити машину, що висить в повітрі?

Намагаючись відповісти на ці питання, люди створили чимало наук. А починаються їх назви з двох слів: аеро - повітря і гідро - вода. Вслухайтеся - гідростатика і аеродинаміка, гідрологія та аеронавтика. А якщо скласти їх усіх разом, вийде довжелезна наука - гідроаеромеханіка.

Ось вона і займається вивченням найрізноманітніших рухів як повітря і води, так і всіх, хто знаходиться в них тел - людини і тварин, підводних човнів і стрімких глісер, повітряних зміїв і куль, вертольотів і літаків.

Про що ж повідає нам ця механіка - наука про двох стихіях?

З чого зроблений поплавок?

Ви збираєтеся на риболовлю. Крім вудилища, волосіні, гачка і, звичайно, наживки, вам буде потрібно поплавок. З чого його виготовити? Раз поплавок - значить повинен плавати. Оглянемося навколо себе. Швидше за все, першою вам потрапить на очі пробка.

Чому пробка плаває? Та тому, що вона набагато легше води. Пробку роблять з кори коркового дуба. Якщо ви її уважно розгляньте, то помітите в ній велика кількість пустот. Вода практично в них не проникає, і можна сказати, що пробку на воді «тримає» повітря. Здатність пробки плавати відома з незапам'ятних часів. Уже тисячі років тому використовували рятувальні пристосування, виготовлені з неї. І зараз для рятувальних кругів, жилетів, плотів часто застосовують пробку.

Але хіба тільки пробка здатна плавати? Плавають колоди і дошки, плаває лід, що утворився з тієї ж води. Щоб з'ясувати, чи буде якесь тіло плавати в рідині, треба порівняти їх щільності. Це - характеристика речовини, що показує, скільки його маси вміщується в одиниці об'єму. Ось, скажімо, в одному кубічному метрі вміститься одна тонна чистої води, а льоду - приблизно 900 кілограмів. Відповідь відразу зрозуміла: лід у воді спливе.

Також на поверхні води плаватимуть олійні і нафтові плями. А крапельки ртуті, які падають у воду, підуть на дно - адже ртуть - метал і вона набагато щільніше води.

Був проведений експеримент (не намагайтеся повторити його будинку - ртуть небезпечна!), Коли в ртуть занурювали різні метали. Вони спливали в ній, як пробка в воді - ось наскільки щільна ртуть.

А чи можна змусити якесь речовина не спливати в рідини? Так, якщо, наприклад, обережно ввести в суміш води і спирту краплю рослинного масла. Вона нерухомо зависне всередині рідини, як якщо б перебувала в невагомості.

Чи можна плавати під водою?

Ось смішне запитання, скажете ви. Пірнув, і пливи. Ну, і чи довго так ви зможете плисти? Напевно, хвилину, від сили - дві. Дуже досвідчені нирці можуть продовжити цей час, але все одно воно обчислюється хвилинами. Як же збільшити термін перебування під водою?

Тут не обійтися без яких-небудь винаходів. Для проведення підводних робіт на глибину опускали важкий дзвін, під куполом якого залишався повітря. Тоді людина, що знаходиться під дзвоном, міг дихати - і працювати. Але це була дуже громіздка конструкція.

Потім був створений водолазний костюм. У ньому людина могла пересуватися по дну і його можливості значно зросли. Але, як і раніше водолаза пов'язувала з кораблем «пуповина» - сигнальні і повітропровідні шланги. Ще одна проблема, з якою зіткнулися підводники - з ростом глибини збільшувався тиск води. При зануренні на 10 метрів воно зростає на величину, рівну атмосферному тиску повітря. На поверхні Землі ми цей тиск звикли не помічати. Але в воді з ним краще не жартувати. Наприклад, якщо швидко підняти водолаза з великої глибини, то його кров може буквально закипіти. Так «закипає» газована вода при відкриванні пляшки, тобто при різкому падінні тиску. Це так звана кесонна хвороба.

Що ж, так і не поплавати під водою довго і без прив'язі? Та ні, чому ж. У 1943 році французький капітан Жак Ів Кусто винайшов акваланг. Тепер нирець, забезпечений запасом повітря, стиснутого під тиском в балонах, міг довго залишатися під водою. Спеціальні регулятори подають повітря до рота, а видих дозволяють зробити в воду. З аквалангом можна вільно переміщатися під водою і перебувати там десятки хвилин. На жаль, причини, пов'язані з кесонної хворобою, не дозволяють занурюватися надто глибоко. Для цього все-таки доводиться вдаватися до жорстких водолазних костюмах.

Як плаває підводний човен?

Звичайно, ви бачили, хоча б по телевізору, сучасні підводні човни. Це величезні кораблі з командою з десятків людей, здатні місяцями перебувати під водою. Корпуси цих човнів зроблені з міцного металу, інакше їм не витримати жахливий тиск води на глибині. Чому ж цей, більш щільний, ніж вода, метал не тоне в ній? Відповідь очевидна: човен зроблена не з суцільного металу, в ній є порожнечі. В якомусь сенсі підводний човен схожа на пробку, яка прагне спливти на поверхню води.

Як же тоді човен занурюється? Вся справа в тому, що всередину її обсягу закачують забортну воду. «Загальна» щільність човна стає більше щільності навколишнього води і човен «тоне».

Першому документального свідченням про підводний судні більше 400 років. Але першість у спорудженні першого підводного човна належить голландському винахіднику К. ван Дреббель, відчувають в 1620 році свою конструкцію на річці Темзі.

Інтерес до використання підводних човнів у військових цілях був дуже великий. Як бойової техніки вони вперше застосовані під час американської громадянської війни в XIX столітті.

Надалі конструкції підводних човнів зазнали багато змін. Кращі досягнення науки і техніки були використані для їх удосконалення, аж до установки на них атомних двигунів. На жаль, це одне з найяскравіших винаходів людини досі застосовується в основному військовими.

Що виштовхує нас з води?

Човни і кораблі люди навчилися будувати ще в найдавніші часи. Питання, пов'язані з мореплавством, хвилювали їх все більше і більше, особливо коли мова заходила про далекі подорожі. Не дивно, що і древні греки приділяли багато уваги проблемам плавання тел.

З'ясувати, що ж саме впливає на занурене в рідину тіло, вдалося знаменитому Архімеда. Щоб зрозуміти, в чому сенс його відомого закону, проведено не ^ складний досвід. Опустіть в тазик з водою або ванну що завгодно, хоча б власну руку. По-перше, ви помітите, що вона немов стала легше. По-друге, виявите, що вода у ванні або тазику піднялася, витіснила. Ось Архімед і сформулював за цими спостереженнями свій закон: на всяке тіло, занурене в рідину (і в газі - те ж саме), діє виштовхуюча сила, рівна вазі витісненої ним рідини.

До речі, відразу можна розібратися з цікавим питанням: чи буде працювати цей закон в невагомості? Зрозуміло, за часів Архімеда таке питання навряд чи міг прийти кому-небудь в голову. Сьогодні ж ми на нього легко відповімо. Раз немає ваги, то і виштовхувати занурене тіло буде нічому.

А ось для земних потреб застосування цього «невтомно» чинного закону вкрай важливо. З його допомогою проводяться розрахунки для всіх підводних і надводних суден.

Пояснити його дію можна, знаючи, що тиск рідини зростає з глибиною. Тоді зрозуміло, що на днище, скажімо, повністю зануреною в воду підводного човна діє більший тиск, ніж на верхню частину її корпусу. Різниця цих тисків і створює спрямовану вгору виштовхуючу силу. Тому-то і виникає ефект прилипання, коли човен сідає на мулисте дно. Тиск води зверху є, а знизу - немає. Човен притиснута до дна і їй без спеціальних зусиль не спливти.

Чому в морі плавати легше?

Чи помічали ви на річкових і морських суднах червону горизонтальну лінію? Напевно, ви навіть згадаєте, як вона називається - ватерлінія. Для чого її проводять?

Якщо судно занурене у воду так, що ватерлінія добре видно, то це означає, що його можна ще довантажити. А якщо вода підійшла до цієї лінії або перевищила її, то це вже небезпечно - судно перевантажене. Тобто виштовхує сили води ось-ось не вистачить, щоб врівноважити судно разом з вантажем.

А ось який цікавий факт спостерігають ті, хто пливе на кораблі і переходить на нього з річки в море. Вчора ще, пливучи річкою, можна було бачити, як ватерлінія майже стосувалася поверхні води. А вранці, при виході з річки у відкрите море, з'ясувалося, що відстань від ватерлінії до води помітно збільшилася.

Що ж трапилося? Невже з корабля щось викинули? Або, може бути, вночі з нього зійшли всі пасажири з багажем? Зовсім ні, вага корабля залишився незмінним. Значить, і урівноважує його виштовхує сила теж не змінилася. Ну, так в чому ж справа?

Мабуть, ви зрозуміли, що вся «сіль» цього питання - в морській воді. Відомо, що її щільність перевищує щільність річкової води за рахунок розчиненої в ній солі. А в більш щільної рідини тіло занурюється менше.

Ви можете переконатися в цьому, провівши будинку досвід з дитячим корабликом, плаваючим в каструлі з водою, тільки не шкодуйте солі. А якщо доводилося протягом одних канікул поплавати і в річці, і в море, то вам докази не потрібні.

Чому перекидаються кораблі?

Буває, що при переході людей в човні з місця на місце вона розгойдається, черпанет води, а часом може і перевернутися. Великим кораблям, здавалося б, таке не загрожує. Ну, то що ж особливого, якщо по ним почнуть ходити або бігати хоч всі пасажири разом з командою?

Дійсно, масивного судну практично непомітно, що по ньому переміщаються люди, вага яких набагато менше. Однак, якщо розмова піде про перевезених судами вантажах, то ситуація різко змінюється.

Проблема стійкості плаваючих тіл породила цілий розділ науки. Були розроблені, скажімо, такі способи порятунку корабля, як поділ його корпусу на відсіки. Якщо корабель отримав пробоїну, то вода заповнила лише один, тут же перекривається відсік. А для виправлення крену в протилежний відсік вже спеціально закачують воду.

Поспостерігайте, нехай навіть у ванні, за стійкістю дитячого дерев'яного або пластмасового кораблика. Спробуйте змінювати її, прикріплюючи до днища шматочки пластиліну. Тільки не перестарайтеся, а то перевантажений «корабель» піде на дно.

Які бувають кораблі?

Яких тільки кораблів він не закінчив будувати людина! Але якщо вас запитати, що найбільше з них запам'яталося, ви, мабуть, назвете криголам або авіаносець.

Криголами прославилися своїми подвигами в полярних льодах. Особливо важливою була їхня будівля для нашої країни. Люди давно мріяли освоїти морський шлях, що проходить уздовж узбережжя Північного Льодовитого океану. Однак потужні льоди більшу частину року не пускали туди звичайні кораблі. Скільки з застрявало і навіть гинуло в льодах! І лише з появою таких спеціальних, особливо міцних судів, як криголами, був проторен Північний морський шлях. Завдяки йому навігація в полярних широтах значно тривала.

Як працює криголам? Тонкий лід він буквально ріже укріпленої обшивкою носової частини. Якщо ж лід встиг нарости до великої товщини, то криголам «підіймається» на нього і руйнує своєю вагою. За утворився за криголамом вільному від льоду простору рухаються, як по дорозі, каравани вантажних або пасажирських суден. Про мощі сучасних криголамів можна судити з такого прикладу. У 1977 році атомний криголам «Арктика», зламавши товстелезні льоди, вперше в історії мореплавання досяг Північного полюса.

Авіаносець - найбільший надводний корабель, що нагадує ціле місто. Дійсно, адже це плаваючий аеродром. Звичайно, він сильно відрізняється від земних аеродромів, наприклад, тим, що у злітають і сідають літаків повинна бути досить коротка смуга для розгону і гальмування. Щоб перевозити близько сотні бойових літаків, їх розміщують в трюмі, опускаючи і піднімаючи на палубу спеціальними ліфтами. Сьогодні без авіаносців не може обійтися жодна бойова флотилія.