Чому кораблі не тонуть

Чому кораблі плавають і не тонуть? Здається, це тому, що вони легкі. Адже в дитинстві не тонули паперові й дерев’яні кораблики. А от чому залізні кораблі не тонуть? Усе трохи складніше, ніж може здатися на перший погляд.

Історія

Першими засобами, які використовували люди для плавання, були плоти та примітивні човни. У той час все було просто й інтуїтивно: раз дерево не тоне, човен потрібно робити саме з цього матеріалу.

Єгипетські кораблі для пересування по Нілу робили навіть із папірусу, але фінікійці, греки та інші давні мореплавці — із дерева.

Та й який ще матеріал могла використовувати в той час людина? Точно не камінь чи бронзу.

При всій інтуїтивності вибору матеріалу, будівництво корабля не було простим завданням навіть у той час, коли люди не ризикували віддалятися далеко від берега, а основним рушієм був не парус, а весла.

Як будувати кораблі давні знали, але чому він не тоне, було для них загадкою.

Лише в третьому столітті до нашої ери Архімед відкриває свій знаменитий закон.

У той період античні мореплавці вже століттями перевозили товари по Середземному морю, Єгипет торгував із Індією, фінікійці ходили морем до західної Африки, а греки добиралися до Великобританії. І все це без відкриття, зробленого Архімедом.

Найбільший сучасний вітрильник зі стальним корпусом “Royal Clipper”

Як же древні люди будували кораблі, не розуміючи, чому вони тримаються на воді й не роблячи жодних розрахунків?

Так будують кораблі з дерева

Це їм не було потрібно, адже принцип природного відбору працює й для технологій. Невдалі кораблі тонули, вдалі знахідки копіювалися іншими майстрами та цілими народами.

Полінезійці заселили величезні простори Тихого океану не те що без знання закону Архімеда, а навіть без базових знань математики. Будували великі човни, як підказувала їм інтуїція. А ті племена, чиї човни показали погану морехідність, просто не дісталися до нових островів.

Закон Архімеда

Цікаво, що Архімед так сформулював закон, названий його іменем, що до кораблів і їхньої плавучості це не мало відношення.

Тіло, яке легше за рідину, плаває, і вага рідини, витісненої частиною зануреного тіла, дорівнює вазі всього тіла.

Більше схоже на філософське твердження, ніж на формулу, якою можна скористатися для розрахунків. Тобто в цій трактовці немає нічого про якусь силу та як її розрахувати. Порівняйте з сучасною формулюванням закону:

На тіло, занурене в рідину (або газ), діє виштовхувальна сила, спрямована вгору, рівна вазі рідини (або газу), витісненого цим тілом.

Як же закон Архімеда вплинув на кораблебудування античності? Ніяк! Нічого не змінилося. І потім… І пізніше — знову нічого…

Використовувати які-небудь розрахунки плавучості навчилися лише в Новий час, приблизно в 17 столітті.

Так будують кораблі зі сталі. Принцип той же, що й у випадку з деревом

Фізика

Чому корабель не тоне, адже він явно дуже важкий?

Так, це правда, будь-який корабель дуже важкий, але, тим не менш, він плаває, якщо його вага дорівнює виштовхувальній силі води (силі Архімеда). І він потоне, якщо його вага буде більшою.

Почнемо з ваги. Вага — це сила, яка тягне корабель униз. Дуже просто:

P=mg

m — це маса корабля, а g — прискорення вільного падіння. Вважається, що це в середньому 9,81 на планеті під назвою Земля. Але значення насправді трохи “плаває” від полюсів до екватора.

Виштовхувальна сила — це:

F=ρgV

ρ — це густина рідини. А g — прискорення вільного падіння. V – об’єм рідини, яку витіснив собою корабель.

І щоб корабель плавав, а не тонув, F має дорівнювати P:

mg=ρgV або m=ρV

Тобто маса корабля має дорівнювати об’єму витісненої рідини, помноженому на її густину.

Важливе відступлення, густина будь-якого будівельного матеріалу може бути меншою за густину води, а може бути й більшою:

• Прісна вода = 1000 кг/м³
• Морська вода ≈ 1025 кг/м³
• Сосна = 400 – 600 кг/м³
• Дуб = 600 – 900 кг/м³
• Кедр = 400 – 500 кг/м³
• Сталь = 7850 кг/м³

Ось чому деревинка плаває у воді, а шматок металу — тоне. Але якщо подивитися на формулу m=ρV, то густини корабля в ній немає. Бо ми говоримо не про суцільний шматок дерева чи металу, а про корабель, який влаштований складніше.

Якщо ви задавалися питанням “чому залізні кораблі не тонуть” — саме тому, що матеріал, з якого зроблений корабель, не має значення для його плавучості (у формулі його немає). Значення має водотоннажність судна та густина рідини.

Prelude FLNG – найбільший корабель у світі

Як же можна заздалегідь дізнатися, що корабель не потоне? Уявімо, що ми голландський інженер 17 століття й проектуємо корабель.

1. Перш за все, потрібно порахувати, який об’єм витіснятиме корпус судна. І це дуже складно, бо інтегрування ще не винайшли, а корпус корабля складної форми. Можна розрахувати корпус судна спрощено, наприклад, як циліндр (довжина, ширина й осадка – глибина занурення).
2. Густину води ми знаємо, рахувати не потрібно, множимо густину на об’єм і отримуємо максимальну масу корабля з вантажем при певній осадці.

Складність у тому, що зважити корабель ми не можемо (ми його ще не побудували, та й побудований корабель ніяк не поставиш на ваги), значить маса його нам невідома.

Тому разом із приблизними розрахунками завжди застосовувався практичний підхід. Кораблебудівник будував модель у масштабі й перевіряв її плавучість, стійкість та будь-які інші важливі параметри на практиці.

Дерев’яний чайний кліпер “Катті Сарк”. Водозаміщення 2133 тонни при осадці 6 метрів, а маса 2133 тонни.

Наприклад, зробимо модель корабля з того ж дерева, що й справжній, але в 20 разів меншу.

Опустимо у воду й виміряємо об’єм витісненої води. Зважимо корабель, отримаємо вагу цієї моделі.

Помножимо об’єм і вагу на 20 і так зможемо розрахувати плавучість судна без вантажу. А далі можна перераховувати, додаючи вагу корисного вантажу, щогл, канатів, екіпажу… Поки розрахунки не покажуть, що корабель занурився занадто глибоко.

Отже, виходить, що корабель не тоне тому, що він достатньо великий і витісняє собою багато води. Вага цієї води більша за вагу корабля, тому він і плаває. Має значення саме об’єм рідини, а не матеріал корпусу судна.

Якщо розрахунки зроблені неправильно, корабель може потонути, і таких прикладів чимало.

Шведський бойовий корабель Vasa пішов на дно відразу після спуску на воду в 1628 році. Проблема була не в недостатній плавучості, а навпаки. Корабель сидів у воді не дуже глибоко, на палубі було багато важких гармат. І при першому пориві вітру він нахилився і зачерпнув воду бортом. Тут уже справа не в плавучості, у трюм потрібно було завантажити більше баласту для стійкості.

Сталеві кораблі

Будувати кораблі зі сталі почали лише в 19 столітті й не тому, що до цього думали, що корабель із металу обов’язково потоне. Просто до промислової революції виготовляти великі конструкції зі сталі (а корпус корабля дуже великий) було дуже дорого. І зовсім непрактично.

Один із перших залізних кораблів “Велика Британія”. Водозаміщення 3400 тонн

Звісно, першими сталевими кораблями були пароплави, але й вітрильники зі стальним корпусом не перестали будувати. І будують досі. Найбільший сучасний вітрильник Royal Clipper зроблений зі сталі й працює як круїзне судно.

Оволодіння сталлю як матеріалом для кораблебудування принципово не змінило самі кораблі, принаймні на початку. Бо сталь як матеріал дозволила робити кораблі більшими, адже сталь міцніша за дерево. Але те, чи плаває корабель, чи тоне, сам матеріал впливає лише побічно.

Найважливіше — це водотоннажність. Сталь, звісно, важча за дерево й навіть алюмінієві сплави. Але вона й міцніша, тому просто робимо корабель трохи більшим, щоб його корпус витісняв більше води. Ось і весь фокус. Великі кораблі не тонуть тому, що вони великі.