Плавання тіл. STEM - урок.

Плавання тіл

1. Поведінка тіл у рідині

Коли тіло занурюється в рідину, на нього діє виштовхувальна сила — сила, що спрямована вгору й виникає через тиск рідини з усіх боків. Величина цієї сили залежить від об'єму зануреної частини тіла і густини рідини.

Та чому тоді тіла однакового об’єму поводять себе по-різному — одне спливає,друге плаває в середині рідини а інше тоне?

На кожне тіло, занурене в рідину, одночасно діють дві сили: сила тяжіння, спрямована вертикально вниз, і виштовхувальна сила, спрямована вгору. Результат взаємодії цих сил визначає напрям руху тіла. Щоб передбачити, як поводитиметься тіло у рідині, слід знайти рівнодійну силу — силу, що враховує дію обох.

Аналізуючи плавання тіл, зручно не лише враховувати дію сил, а й порівнювати густину тіла з густиною рідини. Такий підхід дозволяє швидко й наочно передбачити, як поводитиметься тіло у рідинному середовищі: зануриться, залишиться у рівновазі чи спливе. Саме густина об'єднує в собі два ключові параметри — масу та об’єм — і впливає як на силу тяжіння (через масу), так і на силу Архімеда (через об’єм витісненої рідини).

Цей метод порівняння широко використовується в техніці, природничих науках і побуті, адже дозволяє робити прогнози без складних обчислень: знаючи лише густину матеріалу та густину рідини, можна передбачити результат.

2. Плавання тіл у живій природі

Організми, що мешкають у водному середовищі, як-от риби, молюски чи водяні павуки, мають тіло, в якому значна частка складається з води. Це забезпечує близькість їхньої густини до густини навколишньої рідини — а отже, дозволяє легко підтримувати плавучість. Однак, для точного регулювання положення в товщі води — занурення чи підняття — живі істоти використовують спеціальні механізми, що дають змогу змінювати середню густину свого тіла.

У риб таку функцію виконує плавальний міхур. Змінюючи його об’єм, риба змінює й свою середню густину: при зменшенні об’єму міхура густина тіла зростає, і риба опускається; при збільшенні — зменшується, і риба спливає або зависає на потрібній глибині.

Схожий принцип діє у наутилуса — молюска, який змінює об’єм заповнених газом внутрішніх камер, що допомагає йому залишатися на певному рівні у воді.

Усі ці пристосування засновані на одному принципі: регулювання об’єму газу в тілі веде до зміни густини, а отже — до контролю за умовами плавання.

3. Судноплавство

Судна можуть плавати на воді, незважаючи на свою масивність і те, що виготовлені з металу. Це можливо завдяки їхній будові: великій внутрішній порожнині, заповненій повітрям, яка знижує середню густину всього судна. Як результат, архімедова сила, що виникає внаслідок витіснення води, зрівноважує силу тяжіння, і судно залишається на плаву.

Явище плавання суден на поверхні води пояснюється важливим фізичним поняттям — повною водотоннажністю. Вона показує, скільки води витісняє судно у рівноважному стані та дорівнює його загальній масі разом із вантажем. Наприклад, сучасні нафтові танкери можуть досягати повної водотоннажності 500 000 тонн, що означає: навіть з таким навантаженням вони здатні плавати, витісняючи відповідну кількість води.

Практична робота. « Водотоннажність сирникової коробки»

Визначте повну водотоннажність сірникової коробки — встановіть, яку максимальну масу води вона витісняє, перебуваючи в рівноважному стані на поверхні. На основі цього з’ясуйте, яке максимальне навантаження у вигляді монет може витримати коробка, не потонувши у воді.

 Сплануйте два дослідження для перевірки водотоннажності сирникової коробки. Плануючи своє дослідження, вам потрібно буде врахувати наступні моменти:

а)Що ви будете змінювати (незалежна змінна);

б) Що ви будете вимірювати (залежна змінна);

в) Що ви залишите незмінним (контрольні змінні).

3. Поміркуйте, які прилади вам знадобляться та підготуйте їх.

4. Проведіть необхідні вимірювання.

5. Складіть таблицю та запишіть свої результати.

6. Напишіть висновок, в якому вкажіть, як змінювалася поведінка коробки залежно від навантаження та яка причина її потоплення.

4. Повітроплавання.

Виштольхувальна  сила діє не тільки у воді, а й у по­вітрі, її існування наочно доводять повітряні кулі, їх наповнюють гарячим повітрям або газом із мен­шою густиною, ніж у повітря (водень, гелій). Різницю між вагою 1 м³ повітря й вагою такого ж об’єму газу називають піднімальною силою .

Перша публічна демонстрація польоту без­пілотної повітряної кулі з оболонкою з грубого льняного полотна, обклеєного папером, відбулася в  червні 1783 р. у Франції; апарат досяг висо­ти близько 1800 м.  А  у 1784 році віддбувся запуск повітряної кулі у Львові (рис..  Львівським винахідникам вдалося встановити перший у світі автоматичний пальник, що працював на рідкому паливі, розроблений професором фізики Львівського університету Ігнацієм Мартиновичем і доктором медицини Непомуком Германом. Пальник львівських винахідників підігрівав повітря в оболонці в міру того, як воно холонуло.

Це водночас дозволяло повітряній кулі триматися у повітрі тривалий час. У Франції ж перші повітряні аеростати запускали з допомогою спалювання соломи та вовни і вони не могли довго знаходитися у повітрі. Такі повітряні кулі набули популярності та сали використовуватися для подорожей та наукових досліджень. Так Відомий фізик і хімік Ж.Л. Гей-Люссак зробив наукову повітряну подорож за дорученням Паризької Академії Наук. Пролетів він 160 верст за 6 годин.

В 1900 році в Парижі було відкрито перший Міжнародний повітроплавальний конгрес, а в 1905 – створено Міжнародну Авіаційну Федерацію аеронавтів.

Повітряні кулі  широко використовуються в суспільстві. До початку використання гідрометеорологічних та геодезичних супутників вони слугували метеорологам для зібрання інформації про погоду. Сучасні науковці запускають повітряні кулі  для різноманітних досліджень. Вони займають важливе місце в науці, оскільки допомагають у вивченні фізики, хімії атмосфери, астрономії та навіть тестування технологій для космічних місій.