§ 49. Плавание судов. Воздухоплавание

Морские дороги связывали народы задолго до появления двигателей. Индейцы Америки выдалбливали пироги из цельных стволов, жители долины Нила вязали лодки из папируса, а на верфях Петра I поднимались многомачтовые деревянные корабли. Когда в XIX в. освоили прокат стального листа, корабелы перешли сначала к бронированным, а затем и к полностью металлическим корпусам. Сегодня в дело идут алюминиевые сплавы, пластик и композиты, но у крупных судов корпус по-прежнему стальной: он прочен и обходится дешевле. На рис. 1 огромный контейнеровоз везёт тысячи ящиков с грузом — присмотрись к границе воды у его борта: тяжёлый стальной великан и не думает тонуть.

Опустим в таз ровный кусок жести. Он тут же уйдёт на дно, ведь плотность стали около 7800 кг/м³, а плотность воды всего 1000 кг/м³. Теперь загнём у той же жестянки края и получим открытую коробочку. Металла не прибавилось и не убавилось, но коробочка спокойно держится на поверхности. Вещество осталось прежним — изменилась форма, а вместе с ней и объём вытесненной воды.

Выталкивающая сила зависит как раз от этого объёма: F_A = ρ * V * g. Здесь F_A — архимедова сила в ньютонах (Н), ρ — плотность жидкости в килограммах на кубический метр (кг/м³), V — объём погружённой части тела в кубических метрах (м³), а g = 10 Н/кг — постоянная величина, которой пользуются в расчётах у поверхности Земли. У плоской пластины подводный объём ничтожно мал, у коробочки он в десятки раз больше — во столько же раз вырастает и архимедова сила. Подводная часть морского судна вмещает сотни тысяч кубометров воды и во много раз превосходит объём стали, из которой сварен корпус. Потому и возникает сила, способная удержать на плаву целый город из контейнеров.

Запомни: судно плавает, пока архимедова сила уравновешивает силу тяжести, то есть F_A = F_тяж. Саму силу тяжести считают по знакомой формуле F_тяж = m * g, где m — масса судна вместе с грузом в килограммах (кг). Проще говоря, вес корабля с грузом в воздухе равен весу воды, вытесненной его подводной частью.

Определение. Осадка — глубина, на которую корпус погружается в воду. На рис. 2 к судну приложены обе силы: красная стрелка вверх — архимедова сила, тёмная стрелка вниз — сила тяжести; зелёный отрезок у левого борта показывает осадку, а красная линия по борту — ватерлинию.