Чому кораблі плавають і не тонуть? Здається, це через те, що вони легкі. Ведь в дитинстві не тонули паперові і дерев’яні кораблики. А от чому залізні кораблі не тонуть? Все трохи складніше, ніж може здатися на перший погляд.
Історія
Першими знаряддями, які використовували люди, щоб плавати, були плоти і примітивні човни. Все було просто і інтуїтивно, якщо дерево не тоне, човен потрібно робити саме з цього матеріалу.
Єгипетські кораблі для пересування по Нілу навіть робили з папірусу, але фінікійці, греки та інші давні мореплавці – з дерева.
А який ще матеріал міг використовувати тоді людина? Точно не камінь або бронза.
Незважаючи на всю інтуїтивність у виборі матеріалу, побудова корабля не була простим завданням навіть у той час, коли люди не ризикували відходити далеко від берега, а основним рушієм був навіть не вітрило, а весла.
Як побудувати корабель давні знали, але чому він не тоне було для них загадкою.
Тільки в третьому столітті до нашої ери Архімед відкриває свій знаменитий закон.
У той період античні мореплавці уже століттями возили товари по Середземному морю, Єгипет торгував з Індією, фінікійці ходили морем на західну Африку, а греки дістаються до Великої Британії. І все це без відкриття, зробленого Архімедом.
Найбільший сучасний парусник із сталевим корпусом “Royal Clipper”
Як же давні будували кораблі, не розуміючи, чому вони тримаються на воді і не роблячи жодних розрахунків?
Так будують кораблі з дерева
Цього їм не потрібно було, адже принцип природного відбору діє і для технологій. Невдачливі кораблі тонуть, удачні відкриття копіюються іншими майстрами та цілими народами.
Полінезійці заселили величезні простори Тихого океану не то що без знання закону Архімеда і навіть без знань базової математики. Будували великі човни, як підказувала їм інтуїція. А ті племена, чиї човни показали погану мореплавність, просто не дістались до нових островів.
Закон Архімеда
Цікаво, що Архімед так сформулював закон, названий його іменем, що до кораблів та їх плавучості це не мала відношення.
Тіло, яке легше рідини, плаває, і вага рідини, витісненої частиною зануреного тіла тіла, дорівнює вазі всього тіла
Більше схоже на філософські твердження, ніж на формулу, якою можна скористатися для розрахунку. Тобто в цій трактовці нічого про якусь силу та те, як її розрахувати. Порівняйте з сучасною формулюванням закону:
На тіло, занурене в рідину (або газ), діє виталююча сила, направлена вгору, рівна вазі рідини (або газу), витиснутого цим тілом.
Як вплинув Закон Архімеда на кораблебудування античності? Ніяк! Нічого не змінилося. І потім… І пізніше — знову нічого…
Використовувати якось розрахунки плавучості вчилися тільки в Новий час, приблизно в 17 столітті.
Так будують кораблі зі сталі. Принцип той же, що і в разі з деревом
Фізика
Чому корабель не тоне, ведучи він явно дуже важкий?
Так, це правда, будь-який корабель дуже важкий, проте, тим не менш, він плаває, якщо його вага дорівнює виталюючій силі води (силі Архімеда). І він потоне, якщо його вага буде більшою.
Почнемо з ваги. Вага – це сила, яка тягне корабель вниз. Дуже просто:
P=mg
m – це маса корабля, а g – прискорення вільного падіння. Вважається, що в середньому це 9,81 на планеті під назвою Земля. Проте значення насправді трохи “пливе” від полюсів до екватору.
Виталююча сила це:
F=ρgV
ρ – це щільність рідини. А g – прискорення вільного падіння. V – об’єм рідини, яку витіснув собою корабель.
І щоб корабель плавав, а не тонув, F повинно дорівнювати P:
mg=ρgV або m=ρV
Тобто маса корабля повинна дорівнювати об’єму витісненої рідини помноженого на її щільність.
Важливе зауваження, щільність будь-якого будівельного матеріалу може бути менше, ніж щільність води, або може бути і більше:
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 дерев’яшка плаває у воді, а шматок металу – тоне. Але якщо подивитися на формулу m=ρV, то щільності корабля в ній немає. Адже ми говоримо не про тверде парчок дерева або металу, а корабель, який складніше устроєний.
Якщо ви задавались питанням “чому залізні кораблі не тонуть” – саме тому, що матеріал, із якого зроблений корабель, не має значення для його плавучості (в формулі його немає). Значення має водообіг судна та щільність рідини.
Prelude FLNG – найбільший корабель у світі
Як можна заздалегідь дізнатися, що корабель не потоне? Уявіть, що ми голландський інженер 17 століття і проектуємо корабель.
Спочатку потрібно розрахувати, який об’єм буде витісняти корпус судна. І це дуже складно, оскільки інтегрування ще не винайшли, а корпус судна складної форми. Можна розрахувати корпус судна спрощено, наприклад як циліндр (довжина, ширина та осадка – глибина занурення).
Щільність води ми знаємо, рахувати не потрібно, множимо щільність 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, але й побудований корабель ніяк не поставити на ваги), отже маса його нам не відома.
Тому разом з приблизними розрахунками завжди застосовувався практичний підхід. Кораблебудувальник будував модель в масштабі і перевіряв його плавучість, стійкість та будь-які інші важливі параметри на практиці.
Дерев’яний чайний кліпер “Катті Сарк”. Водоизміщення 2133 тонни при осадці 6 метрів, а маса 2133 тонни.
Наприклад, зробимо модель корабля з того ж дерева, що і справжній, але в 20 разів менше.
Опустимо в воду і виміряємо об’єм витісненої води. Зважимо корабель, отримаємо вагу цієї моделі.
Помножимо об’єм і вагу на 20 і отримаємо можливість розрахувати плавучість судна без вантажу. А далі можна перераховувати, додаючи вагу корисного вантажу, мачт, кантів, екіпажу… Поки розрахунки не покажуть, що корабель занадто глибоко опустився.
Так отримується, що корабель не тоне через те, що він досить великий і витіскає собою багато води. Вага цієї води більше, ніж вага корабля, тому він і плаває. Має значення саме об’єм рідини, а не матеріал корпусу судна.
Якщо розрахунки зроблені невірно, корабель може потонути і для цього є немало прикладів.
Шведський бойовий корабель Vasa пішов на дно одразу після спуску на воду у 1628 році. Проблема була не у недостатку плавучості, а зовсім навпаки. Корабель сидів у воді не занадто глибоко, на палубі було багато важких гармат. І при першому пориві вітру він нахилився і зачерпнув воду через борт. Тут саме не в плавучості було справа, в трюм потрібно було погрузити більше баласта для стійкості.
Сталеві кораблі
Будувати кораблі зі сталі почали лише в 19 столітті і не тому, що до цього думали, що корабель з металу обов’язково потоне. Просто до промислової революції виготовляти великі конструкції зі сталі (а корпус судна дуже великий) просто було дуже дорого. І зовсім непрактично.
Один із перших залізних кораблів “Велика Британія”. Водоизміщення 3400 тонн
Звичайно першими стальними кораблями були пароплави, але і вітрильники зі сталевим корпусом також не припинили будувати. І будують досі. Найбільший сучасний парусник Royal Clipper, зроблений зі сталі і працює як круїзне судно.
Освоєння сталі як матеріалу для