Закон Архимеда и понятие «плавучесть тела»

Древнегреческий учёный Архимед сформулировал закон, по которому погружённое тело плавает в равновесии, когда его вес равен весу вытесненного им объёма жидкости.

При этом сила выталкивания, по природе сила давления, зависит от плотности жидкости (ρfluid), а вес (Gravity) от плотности тела (ρobject). Обе силы являются равнодействующими распределённых нагрузок. Понятно, что чем выше плотность жидкости, тем меньшая часть тела погрузится до равновесия. Наоборот, чем больше плотность тела при заданном объёме, тем больше его масса m, и тем глубже оно погрузится.

При отсутствии поверхностного натяжения, уравнение равновесия плавающего тела будет выглядеть:

где Pobject — вес тела, g — ускорение свободного падения, Pim — вес погружённого тела.

Считают, что Архимед вывел этот закон, решая задачу определения плотности тела, не прибегая к объёмам. По легенде, ему требовалось узнать, из золота ли сделана корона, весившая столько же, сколько золотой слиток. Прямо измерить объём короны он не мог из-за её сложной формы

Запас плавучести

Под плавучестью корабля понимают его способность оставаться на плаву при заданной нагрузке. Эта способность характеризуется запасом плавучести, который выражается как процент объёма водонепроницаемых отсеков выше ватерлинии к общему водонепроницаемому объёму. Любое нарушение непроницаемости ведёт к снижению запаса плавучести. Для корабля (судна), у которого корпус водонепроницаем по главную палубу:

W = Vн / Vo * 100,

где Vн — объём подпалубных помещений над ватерлинией, Vo — весь объём подпалубных помещений.

Уравнение равновесия в этом случае имеет вид:

P = γ (Vo−Vн), или:

P = γ V

где P — вес судна, γ — плотность воды, V — погружённый объём, и называется основным уравнением плавучести

Из него следует:

- при неизменной плотности γ изменение нагрузки P сопровождается пропорциональным изменением погружённого объёма V до достижения нового положения равновесия. То есть, при увеличении нагрузки судно «садится» в воду глубже, при уменьшении всплывает выше;

- при неизменной нагрузке P изменение плотности γ сопровождается обратно пропорциональным изменением погружённого объёма V. Так, в пресной воде судно сидит глубже, чем в солёной;

- изменение объёма V при прочих равных сопровождается изменением осадки. Например, при балластировке забортной водой или аварийном затоплении отсеков можно считать, что судно не приняло груз, а уменьшило погружённый объём, и осадка увеличилась — судно сидит глубже. При откачке воды происходит обратное.

Физический смысл запаса плавучести — это объём воды, который судно может принять (скажем, при затоплении отсеков), ещё оставаясь на плаву. Запас плавучести 50 % значит, что водонепроницаемый объём выше ватерлинии равен объёму ниже неё. Для надводных кораблей характерны запасы 50÷60 % и выше. Считается, что чем бо́льший запас удалось получить при постройке, тем лучше.

Нейтральная плавучесть

Когда объём принятой воды (для надводного корабля) в точности равен запасу плавучести, считается что плавучесть утеряна — запас равен 0 %. Действительно, в этот момент корабль погружается по главную палубу и находится в неустойчивом состоянии, когда любое внешнее воздействие может вызвать его уход под воду. А в воздействиях, как правило, недостатка нет. В теории этот случай называется нейтральная плавучесть.

Отрицательная плавучесть

При приёме объёма воды больше чем запас плавучести (или любого груза, большего по весу) говорят, что судно получает отрицательную плавучесть. В этом случае оно неспособно плавать, а может только тонуть.

 

Правила поведения на воде

Чтобы избежать беды, детям и взрослым необходимо строго соблюдать ряд простых правил поведения на воде:

 

- Большинство людей тонут не из-за того, что плохо плавают, а потому, что, заплыв далеко или испугавшись, поддаются панике и не надеются на себя.
Полезно овладеть техникой отдыха для того, чтобы, начав из-за чего-нибудь нервничать во время плавания, вы смогли просто расслабиться и отдохнуть. А потом, придя в себя, доплыть до берега.

 

При отсутствии волн лучше всего отдыхать в положении на спине. Чтобы обеспечить горизонтальное положение тела, надо вытянуть прямые расслабленные руки за головой, ноги развести в стороны и слегка согнуть. Если этого недостаточно и ноги начинают опускаться вниз, то необходимо слегка согнуть руки в луче-запястных суставах и приподнять кисти над поверхностью воды, тогда ноги сразу всплывут. Тело примет горизонтальное положение. Можно отдыхать на спине, выполняя медленные и плавные движения ногами и руками под водой, затрачивая при этом минимальные усилия.

 

- купаться можно не раньше, чем через 1,5-2 часа после еды.

 

- не рекомендуется заниматься плаванием в открытых водоемах, при температуре воды ниже +15 °С, так как возможна внезапная потеря сознания и смерть от холодового шока. Развитию шока нередко способствует перегревание организма перед плаванием и неожиданно быстрое погружение в холодную воду.

 

- нельзя нырять в незнакомых местах - на дне могут оказаться притопленные бревна, камни, коряги.

 

- не прыгать в воду с лодок, катеров, причалов и других сооружений, не приспособленных для этих целей.

 

- желательно для купания выбирать специально отведенные для этого места.

 

- не заплывать далеко от берега, за буйки, обозначающие границы безопасной зоны.

 

- не подплывать близко к судам (моторным, парусным), лодкам, баржам. При их приближении уровень воды в водоеме значительно повышается, а при прохождении - резко падает и смывает все, что находится на берегу. Имели место случаи, когда под дно теплохода или баржи затягивало рядом плавающих людей.

 

- не следует купаться в заболоченных местах и там, где есть водоросли или тина.

 

Если обстоятельства сложились так, что вы попали в заросли водорослей, сохраняйте присутствие духа. С водорослями можно легко справиться, только необходимо не поддаваться мысли, что растения могут вас утопить. Плыть в зарослях водорослей приходится с частыми остановками, так как необходимо освобождаться от стеблей растений. Гребки руками выполняются у самой поверхности воды.

 

- нельзя входить в воду после перегревания на солнце или сильного охлаждения тела до образования "гусиной кожи".

 

- нельзя быстро погружаться и прыгать в воду после принятия солнечных ванн, бега, игр без постепенной адаптации к холодной воде.

 

- категорически запрещается входить в воду и купаться в нетрезвом состоянии.

 

- ни в коем случае не плавать на надувных матрацах, автомобильных камерах, надувных игрушках – подручное средство может оказаться неисправным, порваться, человек внезапно окажется в воде, а это очень опасно даже для умеющих хорошо плавать. Кроме того, даже слабый ветер способен унести их далеко от берега.

 

- нельзя купаться в штормовую погоду или в местах сильного прибоя;

 

- если вы оказались в воде с сильным течением, не пытайтесь плыть навстречу течению, справиться с ним сил не хватит; в этом случае нужно плыть по течению, но так, чтобы постепенно приближаться к берегу;

 

- если попали в водоворот, не пугайтесь, наберите побольше воздуха, нырните и постарайтесь резко свернуть в сторону от него;

 

- никогда не следует толкать кого-либо в воду, в особенности неожиданно, так как эта шалость может вызвать у людей, очень чувствительных к холодной воде, шок со смертельным исходом;

 

- нельзя шалить в воде, окунать друзей с головой и ставить им подножки. Если вы подплывете к приятелю под водой и резко дернете его за ноги, а он в этот момент как раз сделает вдох - приятель упадет в воду и захлебнется;

 

- нельзя подавать крики ложной тревоги;

 

- нельзя купаться, если у вас повышенная, или пониженная температура. Последствия могут быть непредсказуемыми. Находиться в воде в таком состоянии очень опасн;.

 

- если у вас свело судорогой мышцы, ложитесь на спину и плывите к берегу, постарайтесь при этом растереть сведенные мышцы, но лучше всего – иметь при себе "английскую" булавку. Даже один её укол бывает спасает жизнь.

 

Устали плавать? - отдохните, не старайтесь установить рекорд по плаванию. От перенапряжения могут начаться судороги. Мышечная судорога - у пловца сводит ногу. Так бывает не только в холодной воде. Если такое случилось, погрузитесь на секунду в воду с головой и, распрямив сведенную судорогой ногу, с силой потяните за большой палец ступню на себя. Как правило, судорога отступает.

 

- не купайтесь в каналах, обложенных бетонными плитами или камнями, т.к. со временем они обрастают мхом, становятся скользкими. Из такого канала выбраться трудно. Даже тренированный пловец, купаясь в канале, подвергает свою жизнь опасности;

 

- соблюдайте чистоту мест отдыха у воды, не засоряйте водоемы, не оставляйте мусор на берегу и в раздевалках.

Глоссарий

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙВ ОБЛАСТИ