Почему корабль не тонет

Почему корабли плавают и не тонут? Кажется, это потому что они легкие. Ведь не тонули же в детстве бумажные и деревянные кораблики. А вот почему железные корабли не тонут? Как корабль держится на воде? Все немного сложнее, чем может показаться на первый взгляд.

История

Первыми средствами которые использовали люди чтобы плавать, были плоты, и примитивные лодки. Все было просто и интуитивно, раз дерево не тонет, лодку нужно делать именно из этого материала.

Египетские корабли для перемещения по Нилу делали даже из папируса, но финикийцы, греки и прочие древние мореплаватели — из дерева.

Да и какой еще материал мог использовать в то время человек? Точно не камень или бронзу.

При всей интуитивности с выбором материала, постройка корабля не была простой задачей даже в то время, когда люди не рисковали отходить далеко от берега, а основным движителем был даже не парус, а весла.

Как построить корабль древние знали, но почему он не тонет было для них загадкой.

Только в третьем веке до нашей эры Архимед открывает свой знаменитый закон.

В тот период античные мореплаватели уже столетиями возили товары по Средиземному морю, Египет торговал с Индией, финикийцы ходили морем в западную Африку, а греки добирались до Великобритании. И все это без открытия сделанного Архимедом.

Самый большой современный парусник со стальным корпусом «Royal Clipper»

Как же древние строили корабли не понимая почему они держаться на воде и не делая никаких расчетов?

Так строят корабли из дерева

Им это было не нужно, ведь принцип естественного отбора работает и для технологий. Неудачные корабли тонут, удачные находки копируются другими мастерами и целыми народами.

Полинезийцы заселили огромные пространства Тихого океана не то что без знания закона Архимеда и даже без знаний базовой математики. Строили большие лодки как подсказывала им интуиция. А те племена чьи лодки показали плохую мореходность, просто не добрались до новых островов.

Закон Архимеда

Интересно, что Архимед так сформулировал закон названный его именем, что к кораблям и их плавучести это не имело отношения.

Тело, которое легче жидкости, плавает, и вес жидкости, вытесненный частью погруженного тела тела, равен весу всего тела

Больше похоже на философские утверждения, чем на формулу, которой можно воспользоваться для расчета. То есть в этой трактовке нет ничего о некой силе и том как ее рассчитать. Сравните с современной формулировкой закона:

На тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, направленная вверх, равная весу жидкости (или газа), вытесненного этим телом.

Как же повлиял Закон Архимеда на кораблестроение античности? Никак! Ничего не изменилось. И потом… И позже — опять ничего…

Использовать кое-как расчеты плавучести научились только в Новое время, примерно в 17 веке.

Так строят корабли из стали. Принцип тот же что и в случае с деревом

Физика

Почему корабль не тонет, ведь он явно очень тяжелый?

Да, это правда любой корабль очень тяжелый но, тем не менее, он плавает если его вес равен выталкивающей силе воды (силе Архимеда). И он утонет если его вес будет больше.

Начнем с веса. Вес – это сила, которая тянет корабль в низ. Очень просто:

P=mg

m — это масса корабля, а g — ускорение свободного падения. Считается, что это в среднем 9,81 на планете под названием Земля. Но значение на самом деле немного «плавает» от полюсов к экватору.

Выталкивающая сила это:

F=ρgV

ρ — это плотность жидкости. А g — ускорение свободного падения. V – объем жидкости которую вытеснил собой корабль.

И чтобы корабль плавал, а не тонул F должно быть равно P:

mg=ρgV или m=ρV

То есть масса корабля должна равняться объему вытесанной жидкости умноженному на ее плотность.

Важное отступление, плотность любого строительного материала может быть меньше чем плотность воды, а может быть и больше:

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

Вот почему деревяшка плавает в воде, а кусок металла — тонет. Но если взглянуть на формулу m=ρV, то плотности корабля в ней нет. Ведь мы говорим не о сплошном куске дерева или метала а корабле, который устроен сложнее.

Если вы задавались вопросом «почему железные корабли не тонут» — именно потому, что материал из которого сделан корабль не имеет значения для его плавучести (в формуле его нет). Значение имеет водоизмещение судна и плотность жидкости.

Prelude FLNG – самый большой корабль в мире

Как же можно узнать заранее, что корабль не утонет? Представим, что мы голландский инженер 17 век и проектируем корабль.

1. Прежде всего нужно посчитать, какой объем будет вытеснять корпус судна. И это очень сложно, потому что интегрирование еще не изобрели, а корпус корабля сложной формы. Можно рассчитать корпус судна упрощенно, например как цилиндр (длинна, ширина и осадка – глубина погружения).
2. Плотность воды мы знаем, рассчитывать не нужно, умножаем плотность на объем и получаем максимальную массу корабля с грузом при определенной осадке.

Сложность в том, что взвесить корабль мы не можем (мы его еще не построили, да и построенный корабль никак не поставить на весы), значит масса его нам не известна.

Поэтому месте с примерными расчетам всегда применялся практический подход. Кораблестроитель строил модель в масштабе и проверял его плавучесть, устойчивость и любые другие важные параметры на практике.

Деревянный чайный клипер «Катти Сарк». Водоизмещение 2133 тонн при осадке 6 метров, а масса 2133 тонн.

Например, сделаем модель корабля из того же дерева, что и настоящий но в 20 раз меньше.

Опустим в воду и измеряем объем вытесненной воды. Взвесим корабль, получим вес этой модели.

Умножим объем и вес на 20 и так сможем рассчитать плавучесть судна без груза. А дальше можно пересчитывать добавляя вес полезного груза, мачт, кантов, экипажа… Пока расчеты не покажут, что корабль погрузился слишком глубоко.

Итак получается что корабль не тонет потому, что он достаточно большой и вытесняет собой много воды. Вес этой воды больше чем вес корабля, поэтому он и плавает. Имеет значение как раз объем жидкости, а не материал корпуса судна.

Если расчеты сделаны не верно, корабль может утонуть и тому есть немало примеров.

Шведский боевой корабль Vasa пошел ко дну сразу после спуска на воду в 1628 году. Проблема была не в недостатке плавучести, а совсем наоборот. Корабль сидел в воде не слишком глубоко, на палубе было много тяжелых пушек. И при первом порыве ветра он накренился и зачерпнул воду через борт. Тут как раз не в плавучести было дело, в трюм нужно было погрузить больше балласта для устойчивости.

Стальные корабли

Строить корабли из стали начали только в 19 веке и не потому, что до этого думали, что корабль из металла обязательно утонет. Просто до промышленной революции изготавливать крупные конструкции из стали (а корпус корабля очень большой) просто было очень дорого. И совсем непрактично.

Один из первых железных кораблей «Великая Британия». Водоизмещение 3400 тонн

Конечно первыми стальными кораблями были пароходы, но и парусники со стальным корпусом тоже не престали строить. И строят до сих пор. Самый большой современный парусник Royal Clipper, сделан из стали и работает как круизное судно.

Освоение стали как материала для кораблестроения принципиально не измелила сами корабли, по крайней мере с самого начала. Ведь сталь как материал позволил делать корабли больше, потому, что сталь прочнее дерева. Но на то плавает корабль или тонет сам материал влияет лишь косвенно.

Самое важное — это водоизмещение. Сталь, конечно, тяжелее дерева и даже алюминиевых сплавов. Но она и прочнее, значит просто делаем корабль немного больше, чтобы его корпус вытеснял больше воды. Вот и весь фокус. Большие корабли не тонут потому, что они большие.