Почему корабли держатся на воде?

Корабли, лодки, плоты и другие тела удерживаются на плаву из-за наличия у воды выталкивающих свойств. Как и все остальные жидкости, вода создает направленное вверх давление, которое может поддерживать помещенные в воду твердые предметы.

У кораблей в процесс обеспечения плавучести вовлечено несколько факторов, в том числе форма судна, его прочность и предусмотренные средства для противодействия волнам. В общем случае, корабль будет держаться на воде, если объем воды, который он вытесняет, весит больше, чем сам корабль. У такого корабля направленная вверх сила давления воды на корпус будет преодолевать направленную вниз силу тяжести, которая может считаться приложенной в одной точке, называющейся центром тяжести. Говорят, что корабли сохраняют устойчивость (на языке специалистов — остойчивость), если после накреняющих силовых воздействий таких факторов, как волны или ветер, они могут вернуться на ровный киль. Если корабль неправильно спроектирован или загружен, подобные внешние воздействия могут привести к потере остойчивости и корабль может пойти ко дну.

Закон Архимеда

 

Подвешенный на пружинных весах кубик (рисунок под текстом) весит в воде меньше (правая часть рисунка), чем в воздухе (левая часть рисунка). При погружении кубик вытесняет объем воды, вес которого равен уменьшению реса кубика. Связь между объемом погруженного тела и силой, выталкивающей это тело вверх, была впервые описана греческим математиком Архимедом в третьем столетии до нашей эры.

Сила тяжести против выталкивающей силы

Слабо загруженный корабль имеет небольшую осадку, так как при большем погружении корпуса выталкивающая сила (синяя стрелка) начинает превышать силу тяжести (красная стрелка). Полностью загруженный корабль сидит в воде глубже, вытесняя больший объем воды, чем легкий корабль.

Поддержание равновесия

  1. Когда корабль держится на поверхности воды вертикально, его центр тяжести и выталкивающая сила находятся на одной линии. Корабль находится в равновесии. 
  2. Когда корабль накреняется, выталкивающая сила смещается в сторону; в результате, выталкивающая сила давит вверх, сила тяжести тянет вниз и крен выправляется.
  3. Если центр тяжести накрененного корабля слишком сильно смещен вверх и расположен на слишком большом удалении от центра плавучести, корабль опрокинется.

Смещение центра тяжести

Три схематических разреза корабля на рисунке показывают, как загрузка влияет на остойчивость. Полный трюм корабля (ближний разрез) сводит центр тяжести и точку приложения выталкивающей силы (центр плавучести) близко друг к другу, делая корабль остойчивым. Накрененный волнами, такой корабль легко восстанавливает положение равновесия. В корабле с пустым трюмом (средний разрез), центры тяжести и плавучести отстоят друг от друга на большом расстоянии, поэтому корабль неустойчив. Вес заполненных водой балластных резервуаров (дальний разрез) восстанавливает остойчивость корабля.

Устройства для уменьшения качки

Два резервуара в корпусе (рисунок над текстом) помогают уменьшать бортовую качку. Вес воды, перетекающей из одного резервуара в другой, противодействует боковым ударам волн.

Носовой резервуар, попеременно заполняющийся водой и опорожняющийся, уменьшает килевую качку корабля в бурных морях.