Почему корабли из стали не тонут, а гвоздь тонет

Как работает закон Архимеда простыми словами

Всякий предмет, погруженный в жидкость, испытывает давление со всех сторон. Снизу вода давит сильнее, чем сверху, потому что гидростатическое давление растет с глубиной. Разница этих сил порождает единую направленную вверх выталкивающую силу, открытую древнегреческим ученым Архимедом еще в третьем веке до нашей эры.

Закон формулируется просто. На тело действует выталкивающая сила, строго равная весу жидкости в объеме погруженной части этого тела. Физика здесь сводится к перетягиванию каната между двумя силами, силой тяжести и архимедовой силой. Сила тяжести тянет предмет на дно, выталкивающая сила стремится вытолкнуть его наружу.

Если вес предмета больше веса вытесненной им воды, предмет камнем идет на дно. Если вес меньше, тело всплывает на поверхность и держится там так, чтобы погруженная часть вытесняла ровно столько жидкости, сколько весит сам предмет целиком. В случае равенства этих величин тело способно зависать внутри толщи воды на любой глубине.

Плотность материала против средней плотности конструкции

Плотность чистой пресной воды составляет около тысячи килограммов на кубический метр. Плотность стали колеблется около отметки 7800 килограммов на кубический метр. Обычный стальной гвоздь монолитен, внутри него нет пустот. Его объем крошечный, пара кубических сантиметров. Гвоздь массой двадцать граммов вытесняет всего лишь около двух с половиной граммов воды. Земное притяжение тянет гвоздь вниз сильнее, чем вода толкает его наверх, поэтому он стремительно тонет.

С морским судном ситуация совершенно иная. Корпус корабля делают из прочных стальных листов толщиной от десяти до пятидесяти миллиметров, но эти листы формируют огромную чашу. Внутри этой чаши находятся трюмы, машинные отделения, каюты, коридоры и гигантские объемы обычного воздуха. Плотность воздуха при нормальных условиях равна примерно 1,2 килограмма на кубический метр, что почти в восемьсот тридцать раз меньше плотности воды.

В физике плавания тел имеет значение не плотность отдельного материала обшивки, а средняя плотность объекта. Чтобы найти среднюю плотность корабля, общую массу металла, груза, двигателей и экипажа делят на полный объем, который занимает подводная и надводная часть корпуса. Из-за воздушных пустот средняя плотность даже тяжело нагруженного сухогруза составляет примерно 500–700 килограммов на кубический метр. Вода плотнее такого корабля, поэтому выталкивает его наверх.

Как рассчитывают плавучесть реального судна

Кораблестроители оперируют понятием водоизмещения. Водоизмещение корабля — это масса воды, которую судно вытесняет своей подводной частью. По закону Архимеда эта масса строго равна полной массе корабля вместе со всем содержимым на борту.

Современные контейнеровозы типа Triple-E имеют длину около четырехсот метров, ширину пятьдесят девять метров и осадку около шестнадцати метров. Масса такого гиганта с грузом достигает ста шестидесяти пяти тысяч тонн. Опускаясь в воду на шестнадцать метров, огромный стальной корпус освобождает себе место, вытесняя те самые сто шестьдесят пять тысяч кубических метров морской воды. Сила Архимеда уравновешивает силу тяжести с точностью до грамма.

• Масса вытесненной жидкости определяет предельную грузоподъемность любого плавающего средства.
• Осадка корабля меняется при переходе из соленого океана в пресную реку, так как соленая вода плотнее пресной примерно на двадцать пять килограммов на кубический метр.
• Высота надводного борта защищает внутренний объем от заливания волнами и сохраняет запас плавучести судна.
• Плотность пресной речной воды меньше, поэтому при заходе в устье реки корабль всегда проседает глубже.

Что произойдет, если стальной корабль сомнется

Представь гигантский промышленный пресс, способный спрессовать океанский лайнер в сплошной куб без единой поры воздуха внутри. Металл останется прежним, вес останется абсолютно тем же, однако внешние габариты сократятся в десятки раз. Такой металлический блок немедленно пойдет ко дну с той же скоростью, что и брошенный за борт стальной гвоздь. Это доказывает решающую роль геометрии объема в гидростатике.

Почему корабли тонут при пробоинах

При столкновении с рифом или айсбергом наружная обшивка рвется. Забортная вода устремляется внутрь отсеков, вытесняя легкий воздух наружу через вентиляцию и люки. Масса судна стремительно возрастает, а внешний объем подводной части уже не может увеличиться, борта уходят под воду.

Когда средняя плотность корабля превышает плотность воды вокруг, судно окончательно теряет плавучесть. Для борьбы с этой опасностью инженеры еще в девятнадцатом веке начали делить трюмы судов поперечными и продольными водонепроницаемыми переборками. Если один отсек заполняется водой, соседние отсеки остаются сухими, сохраняя необходимый запас водоизмещения для удержания судна на плаву.