Как найти грузоподъемность судна физика 7

Содержание:

  • § 1  Условия плавания судов. Характеристики судна
  • § 2  Как плавают подводные лодки
  • § 3  Решение задачи по теме урока
  • § 4  Краткие итоги по теме урока

§ 1  Условия плавания судов. Характеристики судна

Рассмотрим условия плавания судов по рекам, озерам и морям.

Поставим небольшой опыт. Возьмем деревянный брусочек, положим на стол и подуем на него. Брусочек остается на месте. А теперь опустим его в широкую чашу с водой. Плотность дерева меньше плотности воды, поэтому действующая на него архимедова сила больше силы тяжести, и брусочек плавает на поверхности, частично погрузившись в воду. Подуем на него. Брусок скользит по поверхности воды.

http://lookmi.ru/technika/narisovat-lodku.jpg

Эту способность движения твердых тел по поверхности воды люди научились использовать тысячелетия назад. Первыми плавательными средствами были стволы деревьев, затем начали строить плоты и лодки. С течением времени размеры судов становились больше, появились парусные суда, пароходы, теплоходы.

В строительстве современных морских и речных судов применяют материалы, плотность которых больше плотности воды. Почему же эти сверхтяжелые корабли, танкеры, лайнеры, изготовленные из металла, держатся на поверхности воды и к тому же перевозят пассажиров и грузы?

Поставим еще один опыт. Возьмем пластинку металлической фольги и опустим в воду. Фольга утонет. Из такого же куска фольги сделаем кораблик. Мы видим, кораблик плавает на поверхности. Что изменилось? Масса фольги осталась прежней, значит, действующая на него сила тяжести не изменилась. Но объем кораблика больше объема куска фольги, поэтому архимедова сила, действующая на него, увеличилась. Если архимедова сила равна силе тяжести, то тело плавает.

http://www.korabli.eu/images/oboi/grazhdanskie-suda/laynery/full/layner-seven-seas-navigator.jpg

Будем нагружать наш кораблик. Он глубже погружается в воду и может даже утонуть, если масса груза окажется очень большой для этого кораблика. Можем сделать вывод, что и на настоящие корабли нельзя помещать слишком много груза.

Известно, что тело плавает, если вес воды, вытесненной его подводной частью, равен весу этого тела в воздухе.

Значит, если вес воды, вытесненной подводной частью судна, равен весу этого судна вместе с грузом в воздухе, то это судно будет плавать.Если же вес судна вместе с грузом окажется больше веса вытесненной воды, то судно утонет.

Чтобы знать, сколько груза можно погрузить на судно, ввели следующие характеристики.

http://zateevo.ru/userfiles/image/WatIsWhat/Suda/ship_11.jpg

-Осадка – это глубина, на которую судно погружается в воду.

– Ватерлиния – красная линия на корпусе судна, показывающая наибольшую допустимую осадку судна.

– Водоизмещение – вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом.

– Грузоподъемность – вес полезного груза, перевозимого судном.

Нагружать судно можно только до тех пор, пока его осадка ниже ватерлинии. 

Чтобы найти грузоподъемность, нужно из веса вытесненной воды (водоизмещения) вычесть вес самого судна. Pгруза = Pвыт.воды – Pсудна

§ 2  Как плавают подводные лодки

А как плавают подводные лодки?

Для объяснения принципа плавания подводных лодок рассмотрим опыт. Нальем в стакан газированную воду и опустим виноградинку. Плотность винограда больше плотности воды, поэтому она утонет. Но через некоторое время виноградинка, вся облепленная пузырьками воздуха, поднимется на поверхность.

Так же и подводные лодки. В них есть специальные балластные отсеки, которые заполняются водой при погружении. Если же нужно подняться на поверхность, то сжатым воздухом вытесняют воду из этих отсеков. Средняя плотность лодки при этом становится меньше плотности воды и лодка всплывает.

§ 3  Решение задачи по теме урока

Рассмотрим решение задачи на плавание судов.

Задача: Судно, погруженное в пресную воду до ватерлинии, вытесняет воду объемом 15 000 м3. Вес судна без груза составляет 5 000 кН. Чему равна грузоподъемность судна? Чему равна масса груза?

Решение: Запишем условие задачи. Объем вытесненной воды, равный объему подводной части судна, обозначим Vвыт.воды., составляет 15 000 м3. Вес судна Pсудна = 5000 кН, в СИ 5 000 000 Н. Плотность воды ρж = 1000 кг/м3. Необходимо определить грузоподъемность, т.е. вес груза Pгруза и массу груза mгруза.

Чтобы найти вес груза, нужно из водоизмещения вычесть вес самого судна. Водоизмещение – это вес воды, вытесненной погруженной частью судна, равный весу судна вместе с грузом, обозначим Pвыт.воды. Тогда Pгруза = Pвыт.воды – Pсудна.

Найдем вес вытесненной воды (водоизмещение) по формуле Pвыт.воды = mвыт.воды.·g, где масса вытесненной воды равна произведению ее плотности на объем. 

Тогда Pвыт.воды = g·ρж·Vвыт.воды.

Формула определения веса груза запишется так: Pгруза = g·ρж·Vвыт.воды. – Pсудна. Подставим числовые значения величин, сократим единицы измерения и получим: Pгруза = 10 000 000 Н = 10 000 кН.

Тогда масса груза из формулы веса равна: mгруза = Pгруза :g = 1 000 000 кг = 1000 т.

Ответ: вес груза 10 000 кН, масса груза 1000 т

§ 4  Краткие итоги по теме урока

ВАЖНО ЗАПОМНИТЬ:

Если вес воды, вытесненной подводной частью судна, равен весу этого судна вместе с грузом в воздухе, то это судно будет плавать.

Осадка – это глубина, на которую судно погружается в воду.

Ватерлиния – красная линия на корпусе судна, показывающая наибольшую допустимую осадку судна.

Водоизмещение – вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Грузоподъемность – вес полезного груза, перевозимого судном.

Нагружать судно можно только до тех пор, пока его осадка ниже ватерлинии. Чтобы найти грузоподъемность, нужно из веса вытесненной воды (водоизмещения) вычесть вес самого судна: Pгруза = Pвыт.воды – Pсудна

Список использованной литературы:

  1. Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 7 класс. – 3-е изд. – М.: ВАКО, 2009. – 368 с.
  2. Волков В.А. Тесты по физике: 7-9 классы. – М.: ВАКО, 2009. – 224 с. – (Мастерская учителя физики).
  3. Кирик Л.А. Физика -7. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. М.: Илекса, 2008. – 192 с.
  4. Контрольно-измерительные материалы. Физика: 7 класс / Сост. Зорин Н.И. – М.: ВАКО, 2012. – 80 с.
  5. Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 7 Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2010. – 128 с.
  6. Перышкин А.В. Физика. 7 класс – М.: Дрофа, 2011.
  7. Тихомирова С.А. Физика в пословицах и поговорках, стихах и прозе, сказках и анекдотах. Пособие для учителя. – М.: Новая школа, 2002. – 144 с.
  8. Я иду на урок физики: 7 класс. Часть III: Книга для учителя. – М.: Издательство «Первое сентября», 2002. – 272 с.

Использованные изображения:

Объяснение гидроаэромеханики

От­че­го пла­ва­ют рыбы, по­че­му птицы не па­да­ют на землю? Как по­стро­ить ко­рабль, чтобы он не уто­нул? Может ли ма­ши­на под­нять­ся в воз­дух, дви­гать­ся по небу или за­вис­нуть в небе? Пы­та­ясь найти от­ве­ты на эти и на мно­гие дру­гие во­про­сы, люди со­зда­ли много раз­ных наук. Их на­зва­ние на­чи­на­ют­ся со слова гидро, что в пе­ре­во­де озна­ча­ет вода, или аэро, что в пе­ре­во­де озна­ча­ет воз­дух. Если со­брать эти науки вме­сте, то по­лу­чит­ся объ­ем­ная наука – гид­ро­аэро­ме­ха­ни­ка.

Она рас­смат­ри­ва­ет во­про­сы, свя­зан­ные с дви­же­ни­ем жид­ко­стей и воз­ду­ха, а также всех тел, ко­то­рые в них на­хо­дят­ся – жи­вот­ных и че­ло­ве­ка, па­рус­ных судов, са­мо­ле­тов и воз­душ­ных шаров.

Знакомство с гидромеханикой

Масса со­вре­мен­ных судов до­сти­га­ет несколь­ких де­сят­ков тысяч тонн. По­че­му же эти ко­раб­ли не тонут? Всё дело в том, что их сред­няя плот­ность по-преж­не­му мень­ше плот­но­сти воды, а вы­тал­ки­ва­ю­щая ар­хи­ме­до­ва сила урав­но­ве­ши­ва­ет силу тя­же­сти, и ко­рабль не тонет.

Опыт с корабликом из фольги. Понятие осадки и ватерлинии

Рас­смот­рим опыт из преды­ду­ще­го урока: если мы возь­мем ку­со­чек фоль­ги и опу­стим его в воду, то он уто­нет. Но если из этой же самой фоль­ги сде­лать ко­раб­лик, то он бла­го­по­луч­но будет по­ко­ить­ся на по­верх­но­сти воды. В чем же дело? Дело в том, что любой со­вре­мен­ный ко­рабль со­дер­жит мно­же­ство от­се­ков, за­пол­нен­ных воз­ду­хом. Если бы ко­рабль был сде­лан из цель­но­го куска ме­тал­ла, то он, ко­неч­но, бы уто­нул.

По­лу­ча­ет­ся, что на­ли­чие пу­стых по­ме­ще­ний, за­пол­нен­ных воз­ду­хом, при­во­дит к тому, что сред­няя плот­ность судна ока­зы­ва­ет­ся мень­ше плот­но­сти воды. Глу­би­на, на ко­то­рую по­гру­жа­ет­ся судно, на­зы­ва­ет­ся осад­кой. При пол­ной за­груз­ке судна, оно не долж­но по­гру­жать­ся в воду ниже опре­де­лен­ной линии. Её на­зы­ва­ют гру­зо­вой ва­тер­ли­ни­ей (рис. 1), то есть ли­ни­ей, с ко­то­рой со­при­ка­са­ет­ся по­верх­ность воды и кор­пус судна при его пол­ной за­груз­ке.

Ва­тер­ли­ния, на­не­сен­ная на кор­пус ко­раб­ля (чер­ным)

Рис. 1 Ва­тер­ли­ния, на­не­сен­ная на кор­пус ко­раб­ля (чер­ным)

По­сте­пен­но за­гру­жая ко­раб­лик гру­зом, уви­дим, что с ним про­изой­дет: осад­ка ста­но­вит­ся всё ниже, и при опре­де­лен­ном зна­че­нии ко­рабль тонет. Вес груза пре­вы­сил опре­де­лен­ное зна­че­ние, ко­рабль опу­стил­ся ниже ва­тер­ли­нии. Хо­те­лось бы об­ра­тить ваше вни­ма­ние, что при по­гру­же­нии ко­рабль вы­тес­ня­ет опре­де­лен­ное ко­ли­че­ство воды.

Водоизмещение, грузоподъемность. Решение задачи

Вес воды, вы­тес­нен­ный ко­раб­лем при по­гру­же­нии, на­зы­ва­ет­ся во­до­из­ме­ще­ни­ем. Чис­лен­но во­до­из­ме­ще­ние равно весу ко­раб­ля вме­сте с гру­зом. Раз­ни­ца между во­до­из­ме­ще­ни­ем и весом судна на­зы­ва­ет­ся гру­зо­подъ­ем­но­стью судна.

Решим за­да­чу.

Нам необ­хо­ди­мо опре­де­лить гру­зо­подъ­ем­ность судна. Судно по­гру­же­но в прес­ную воду до ва­тер­ли­нии и при этом вы­тес­ня­ет воду объ­е­мом 15000 ку­би­че­ских мет­ров. Из­вест­но, что вес са­мо­го судна со­став­ля­ет 5х107 нью­тон. За­пи­шем крат­кое усло­вие за­да­чи:

Дано:

Vв=15000 м3

ϱв=1000 кг/ м3

P0 = 5х10H

——————-

Pг= ?

Нам необ­хо­ди­мо рас­счи­тать гру­зо­подъ­ем­ность судна. Обо­зна­чим гру­зо­подъ­ем­ность как вес груза. Для этого нам нужно из веса вы­тес­нен­ной воды вы­честь вес судна:

Pг= Pвв– Pс , вес вы­тес­нен­ной воды рас­счи­ты­ва­ет­ся:

Pвв= ϱв ∙ g ∙ Vв , как плот­ность воды на ве­ли­чи­ну g и на объем вы­тес­нен­ной воды. Под­ста­вим это в ис­ход­ную фор­му­лу и по­лу­чим вы­ра­же­ние для рас­че­та:

Pг= ϱв ∙ g ∙ Vв – Pс .

Про­ве­дем ана­лиз раз­мер­но­сти, при под­ста­нов­ке всех раз­мер­ных ве­ли­чин и ма­те­ма­ти­че­ских пре­об­ра­зо­ва­ни­ях, мы по­лу­чим, что гру­зо­подъ­ем­ность судна будет из­ме­рять­ся в нью­то­нах. Pг= кг/м3 х Н/кг х м3 – Н = Н – Н = Н.

Под­ста­вим чис­ло­вые дан­ные:

Pвв = 1000∙10∙15000 – 5∙107 = 150∙106 – 5∙107 = 108 Н.

Т. е. гру­зо­подъ­ем­ность судна равна 108 Н.

Подводные лодки, эксперимент с газировкой

Суда, спо­соб­ные пла­вать под водой, на­зы­ва­ют под­вод­ны­ми, а все осталь­ные – над­вод­ны­ми. Пер­вая под­вод­ная лодка по­яви­лась в Ан­глии в 1620 году, в Рос­сии под­вод­ные лодки по­яви­лись позд­нее, в 1724 году.

Про­ве­дем экс­пе­ри­мент.

В сосуд на­льем га­зи­ро­ван­ную воду и опу­стим туда ви­но­гра­дин­ку. Она опу­стит­ся на дно, по­то­му что ее плот­ность боль­ше плот­но­сти воды, но, об­леп­лен­ная пу­зырь­ка­ми газа, она под­ни­мет­ся на по­верх­ность. Как толь­ко пу­зырь­ки газа будут по­сте­пен­но ло­пать­ся, она вновь опу­стит­ся на дно, и так будет про­дол­жать­ся до тех пор, пока весь газ из га­зи­ров­ки не вый­дет. Дви­же­ние ви­но­гра­дин­ки ана­ло­гич­но тому, как дви­жут­ся под­вод­ные лодки, внут­ри ко­то­рых есть спе­ци­аль­ные бал­ласт­ные ци­стер­ны. Когда необ­хо­ди­мо, чтобы лодка по­гру­зи­лась, ци­стер­ны от­кры­ва­ют­ся и за­борт­ная вода устрем­ля­ет­ся внутрь – лодка опус­ка­ет­ся на дно. При необ­хо­ди­мо­сти под­ня­тия на­верх – под дав­ле­ни­ем сжа­тый воз­дух за­пол­ня­ет эти бал­ласт­ные ци­стер­ны, вы­тес­няя за­борт­ную воду, и об­лег­чен­ная лодка под­ни­ма­ет­ся на по­верх­ность.

Развитие водного транспорта

Раз­ви­тие вод­но­го транс­пор­та имеет огром­ное зна­че­ние, так как это до­ста­точ­но де­ше­вый вид транс­пор­та с огром­ной гру­зо­подъ­ем­но­стью, и имен­но бла­го­да­ря вод­но­му транс­пор­ту осу­ществ­ля­ет­ся тор­гов­ля со мно­ги­ми за­ру­беж­ны­ми стра­на­ми.

Вопросы к конспектам

Что такое гид­ро­аэро­ме­ха­ни­ка?

К чаш­кам весов под­ве­ше­ны на нитях два оди­на­ко­вых по объ­е­му тела: одно из меди, а дру­гое из алю­ми­ния. Весы урав­но­ве­ше­ны. На­ру­шит­ся ли рав­но­ве­сие, если тела опу­стить в воду, и как?

Дать опре­де­ле­ние во­до­из­ме­ще­нию и гру­зо­подъ­ем­но­сти.

На предыдущих уроках вы узнали, при каких условиях тела тонут, при каких всплывают, а при каких остаются в равновесии в жидкости ($F_{тяж} > F_A$ — тело тонет, $F_{тяж} = F_A$ — тело плавает, $F_{тяж} < F_A$ — тело всплывает).

Мы установили, что эти условия также зависят от плотности тела и плотности жидкости, в которую его погружают ($rho_т > rho_ж$ — тело тонет, $rho_т < rho_ж$ — тело всплывает, $rho_т = rho_ж$ — тело плавает).

Но почему железный брусок тонет в воде, а огромный корабль, перевозящий тонны груза, нет? На этом уроке мы узнаем, каким образом плавают корабли, лодки, яхты и другие суда.

Принцип плавания судов

В прошлом уроке мы провели опыт с плавающим телом, который показал, что тело вытесняет своей частью, находящейся под водой, столько воды, что ее вес равен весу тела в воздухе. Это утверждение справедливо для любого судна.

На чем основано плавание судов?
Очевидно, что раз суда держатся на поверхности воды, то они спроектированы таким образом, что вес воды, вытесняемой подводной частью судна, равен весу всего судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Обратите внимание, что вес в воздухе — это не вес надводной части судна, а вес в обычных условиях, как если бы судно стояло на земле.

Большое значение имеют форма и строение судна. В подводной части находятся полости (почти всегда это используемые помещения), в которых есть воздух. Таким образом, средняя плотность судна меньше плотности воды.

Характеристики судов

Рассмотрим несколько важных характеристик судов.

Что называют осадкой судна?

Осадка — это глубина, на которую судно погружено в воду.

Осадка (рисунок 1) современных танкеров и контейнеровозов при полной загрузке (несколько сотен тысяч тонн груза) может достигать 23 метров. При этом часть судна над водой будет иметь высоту всего 5–6 метров.

Рисунок 1. Осадка судна

Что такое ватерлиния?

Ватерлиния — это максимально допустимая осадка судна.

Отмечена на корпусе судна красной линией (рисунок 2). Судно погружается глубже в воду при его загрузке — уровень воды может доходить до ватерлинии, но не выше нее.

Рисунок 2. Ватерлиния судна

Что называют водоизмещением судна?

Водоизмещение судна — это вес воды, которую вытесняет судно при погружении до ватерлинии.

Вес этой воды равен силе тяжести, которая действует на судно с грузом (рисунок 3).

Рисунок 3. Водоизмещение судна

Грузоподъемность судна — это максимально допустимый вес перевозимого груза.

Мы можем рассчитать грузоподъемность судна, если из водоизмещения вычесть вес самого судна (рисунок 4).

Рисунок 4. Грузоподъемность судна

Также отметим, что осадка судна в соленой и пресной воде будет различна. Плотность соленой воды больше плотности пресной, поэтому осадка в море или океане будет меньше, чем в реке или озере.

Краткая история судостроения

Древние суда

С древних времен у людей была необходимость преодолевать водные преграды. Люди строили примитивные плоты, корзины, обтянутые кожей животных, лодки, которые выдалбливали или выжигали из большого цельного ствола дерева (рисунок 5).

Рисунок 5. Экспонат Национального музея Республики Карелия

Парусные суда

В третьем тысячелетии до н. э. были изобретены паруса (но использовались как вспомогательное средство наряду с веслами), а в X–XIII веках появились полностью парусные судна. Пик развития пришелся на середину XIX века. В 1869 году был спроектирован, построен и спущен на воду клипер «Катти Сарк» (рисунок 6). Это парусное судно поставило рекорд скорости — 21 узел ($1 space узел = 1.852 frac{км}{ч}$). 

Рисунок 6. Клипер «Катти Сарк» в сухом доке Гринвича

Суда с двигателями

В 1807 году в США был построен первый пароход. Так у парусных судов появилась конкуренция — судна с паровыми машинами (рисунок 7).

Рисунок 7. «Пароход Северной Реки», изобретенный Р. Фултоном

Если раньше все суда строились из дерева, то в 1787 году было построено первое судно из железа. А со второй половины XIX века железо начали заменять сталью.

В 1903 году в России построили первый теплоход. Такие суда приводятся в движение с помощью двигателя внутреннего сгорания (рисунок 8).

Рисунок 8. Первый теплоход «Вандал», построенный на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде

Также в России был создан первый в мире ледокол «Ермак» в 1898 году. Это судно могло форсировать льды толщиной в 2 метра (рисунок 9).

Рисунок 9. Ледокол «Ермак»

В 1959 году был построен первый атомный ледокол «Ленин» (рисунок 10). Ледокол расходовал в сутки 45 граммов ядерного топлива, и его полная мощность составляла 44 000 лошадиных сил.

Рисунок 10. Атомный ледокол «Ленин»

На данный момент самый большой контейнеровоз в мире построен южнокорейской судостроительной компанией (рисунок 11). Он имеет длину 400 метров и площадь палубы более $24 space 000 space м^2$. Он перевозит около 24 000 контейнеров с грузом (если их расположить в одну линию, то ее длина составит 150 км).

Рисунок 11. Самый большой контейнеровоз в мире «HMM Algeciras»

Упражнения

Упражнение №1

Как изменится осадка корабля при переходе из реки в море? Ответ объясните.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Судно плавает и в соленой, и в пресной воде. Это означает, что в обоих случаях сила тяжести, действующая на судно в воздухе, будет равна архимедовой силе, действующей на судно в воде.

В речной воде на судно действует сила Архимеда:
$F_{А1} = g rho_1 V_1$.
А в морской:
$F_{А2} = g rho_2 V_2$.

Эти силы будут равны друг другу из условий плавания ($F_А = F_{тяж}$), ведь вес самого судна в воздухе не изменялся:
$g rho_1 V_1 = g rho_2 V_2$,
$rho_1 V_1 = rho_2 V_2$.

Плотность соленой воды больше плотности пресной: $rho_2 > rho_1$. Тогда объем судна, погруженный в пресную воду, больше объема судна, погруженного в морскую воду:
$V_1 > V_2$.

Значит, осадка судна уменьшится при его переходе из реки в море.

Упражнение №2

Сила тяжести, действующая на судно, равна $100 space 000 space кН$. Какой объем воды вытесняет это судно?

Дано:
$F_{тяж} = 100 space 000 space кН$
$rho_ж = 1000 frac{кг}{м^3}$
$g = 9.8 frac{Н}{кг}$

СИ:
$F_{тяж} = 10^8 space Н$

$V_в — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Решение:

Мы знаем, что вес жидкости (воды), вытесняемой подводной частью судна, равен весу всего судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом. А вес вытесненной воды равен архимедовой силе, которая действует на судно:
$F_{тяж} = g rho_ж V_т$.

Объем погруженной в воду части судна $V_т$ равен объему вытесненной воды, который мы и будем рассчитывать:
$F_{тяж} = g rho_ж V_в$,
$V_в = frac{F_{тяж}}{g rho_ж}$,
$V_в = frac{10^8 space Н}{9.8 frac{Н}{кг} cdot 1000 frac{кг}{м^3}} approx 10 space 200 space м^3$.

Ответ: $V_в approx 10 space 200 space м^3$.

Упражнение №3

Плот, плывущий по реке, имеет площадь $8 space м^2$. После того как на него поместили груз, его осадка увеличилась на $20 space см$. Каков вес помещенного на плот груза?

Дано:
$h = 20 space см$
$S = 8 space м^2$
$rho_ж = 1000 frac{кг}{м^3}$
$g = 9.8 frac{Н}{кг}$

СИ:
$h = 0.2 space м$

$P_г — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Решение:

На груз, находящийся на плоту, действует сила тяжести. Также он вызывает дополнительную архимедову силу, которая и равна весу груза:
$P_г = F_А = g rho_ж V_ж$.

Какой объем воды вытеснил плот, когда на него положили груз? Мы можем его вычислить, используя геометрическую формулу:
$V = Sh$.

Рассчитаем вес груза:
$P_г = g rho_ж Vh$,
$P_г = 9.8 frac{Н}{кг} cdot 1000 frac{кг}{м^3} cdot 8 space м^2 cdot 0.2 space м = 15 space 680 space Н approx 16 space кН$.

Ответ: $P_г approx 16 space кН$.

Задание

Задание №1

На рисунке 12 изображены два прибора, плавающие в воде, называемые ареометрами. Эти приборы используются для измерения плотности жидкости.
Первый ареометр, изображенный на рисунке 12, а, предназначен для жидкостей, имеющих плотность меньшую, чем вода. Деления на нем нанесены сверху вниз.
Второй (рисунок 12, б) — для жидкостей с плотностью большей, чем вода. Деления на нем нанесены снизу вверх. Цифрой 1000 обозначена плотность воды: $rho = 1000 frac{кг}{м^3}$. Объясните действие таких приборов.

Рисунок 12. Ареометры

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

В принципе действия ареометров ключевую роль играет архимедова сила.

Вес воды, который вытесняет ареометр, равен весу самого ареометра в воздухе ($P_1 = gm$). С другой стороны, вес вытесненной воды определяется архимедовой силой, действующей на ареометр. Запишем эти формулы:
$gm = g rho_ж V_ж$,
$m = rho_ж V_ж$,
$rho_ж = frac{m}{V_ж}$.

Проанализируем полученное выражение:

  • Масса ареометра не изменяется;
  • Объем вытесненной жидкости эквивалентен объему погруженной части ареометра. Чем глубже погружается прибор в жидкость, тем меньше плотность жидкости. Чем сильнее он всплывает — тем плотность жидкости больше. В соответствии с этим на каждый ареометр нанесена шкала со значениями плотности.

Задание №2

Налейте в стакан воды, введите в воду конец пипетки и выпускайте из нее понемногу воздух. Затем наберите в пипетку немного жидкого масла и пускайте его под водой по капле. Что вы наблюдаете? Сделайте вывод.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Мы увидим, что воздух поднимается наверх. Когда мы будем пускать масло, эти две жидкости не будут смешиваться. Масло тоже будет подниматься на поверхность воды. Значит, архимедовы силы, действующие на воздух и масло, больше сил тяжести (рисунок 13).

Рисунок 12. Поведение воздуха и капель масла в толще воды

В таком случае жидкости находятся в одном сосуде в соответствии со своими плотностями: в нижней части сосуда более плотные, в верхней — более легкие. Этот принцип применим и к газам. Значит, мы можем сказать, что плотности воздуха и масла меньше плотности воды.

Подробности
Обновлено 20.01.2019 00:26
Просмотров: 438

1. Почему корабли не тонут?

Для постройки современных судов используют различные материалы, в основном металлы, имеющие по сравнению с водой большую плотность.
Однако суда не тонут, а держатся на воде и перевозят еще большие грузы.

Как для любого плавающего тела, так и для судна, справедливо, что тело вытесняет своей подводной частью столько воды, что вес этой воды равен весу тела в воздухе.

Вес воды, вытесняемой подводной частью судна, равен весу судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Например:

Почему тонет железный гвоздь, но не тонет корабль из металла?
Плотность железа много больше, чем плотность воды.
Вес сплошного железного гвоздя оказывается больше, чем вес, вытесненной им воды.
У корабля, сделанного из того же железа, средняя плотность (за счет внутренних полостей в корпусе) значительно ниже, чем плотность железа.
Вес, правильно сконструированного корабля, оказывается меньше веса вытесненной им воды.
Сделайте сплошую железяку в форме этого же корабля, и она точно утонет.
Однако, если раскатать гвоздь в тонкий железный лист и согнуть его в форме лодочки, он точно поплывет.


2. Что такое осадка судна?

Глубину, на которую судно погружается в воду, называют осадкой.
Наибольшая допускаемая осадка отмечена на корпусе судна красной линией, называемой ватерлинией.

3. Меняется ли осадка корабля при переходе из реки в море или обратно?

Да, так как плотность пресной (1000 кг//м3)и морской воды (1030 кг/м3) различны.

4. Что называется водоизмещением судна?

Вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватер линии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом, называется водоизмещением судна.

Сейчас для перевозки нефти строят суда водоизмещением 5 000 000 кН (5 • 106 кН) и больше, т. е. имеющие вместе с грузом массу 500 000 т (5 • 105 т) и более.

5. Что показывает грузоподъемность судна?

Если из водоизмещения вычесть вес самого судна, то получим грузоподъемность этого судна.

Грузоподъемность показывает вес груза, перевозимого судном.

6. Как работает ареометр?

Приборы “ареометры” используются для измерения плотности жидкости.
Ареометр представляет собой стеклянную трубочку с расширением на конце.
Внутрь вставлена измерительная шкала, показывающая плотность жидкости.
В расширении на конце трубки запаян груз для равновесия.

Ареометр в зависимости от плотности жидкости погружается на большую или меньшую глубину.
Риска шкалы на уровне поверхности жидкости укажет плотность жидкости.

Если ареометр предназначен для жидкостей, имеющих плотность меньшую, чем вода, то деления на ареометре наносятся сверху вниз.
Если ареометр предназначен для жидкостей, имеющих плотность большую, чем вода, то деления на нем нанесены снизу вверх.
Начальной точкой отсчета шкалы в обоих случаях является значение плотности воды, равное 1000 кг/м3.

Следующая страница – смотреть

Назад в “Оглавление” – смотреть

Добавить комментарий