ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 9 класс · § 30
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 30. Плавание судов. Воздухоплавание

Почему стальной корабль держится на воде, а воздушный шар поднимается?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Почему стальной корабль держится на воде, а воздушный шар поднимается?

Наблюдаем и объясняем

Грузоподъёмность аэростата

Меняй объём, плотность газа и массу оболочки. Сравни выталкивание и собственную тяжесть.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

10 м³
0.2 кг/м³
2 кг

Стрелки показывают направления сил, их длины условны. ρвозд = 1,2 кг/м³, g = 10 м/с². Расчёт при заданных постоянных плотностях без ветра, изменения высоты и нагрева; не руководство для реального полёта.

01

Судно: средняя плотность

Корабль содержит не только металл, но и большие объёмы воздуха. Для плавания сравнивают среднюю плотность всего судна, включая полости, с плотностью воды. В равновесии масса вытесненной воды равна полной массе судна с грузом.

Груз увеличивает осадку: судно погружается глубже, вытесняя дополнительную воду. Ватерлиния показывает пересечение поверхности воды с корпусом при данной загрузке. Безопасный допустимый уровень определяется конструкцией и условиями, а не только формулой Архимеда.

Добавили груз

Увеличилась полная масса

Осадка выросла

Вытеснилось больше воды

Новое равновесие

ρводыVпогр = mобщ

Корабль плавает благодаря малой средней плотности всего объёма, включая полости.

Почему затопление отсеков опасно?

Вода увеличивает массу и уменьшает запас плавучести. Может не остаться допустимого объёма для вытеснения нужной массы воды.

02

Водоизмещение: объём и масса

В массовом выражении водоизмещение — масса воды, вытесненной судном. Для плавающего судна она равна его текущей массе. Если задано предельное водоизмещение, доступная масса груза в упрощённой задаче — разность между ним и массой ненагруженного судна.

Например, допустимый вытесненный объём 0,8 м³ в пресной воде соответствует массе 800 кг. Если масса самой учебной лодки 300 кг, остаётся 500 кг нагрузки в этой идеализированной модели. Реальное судно требует учёта запаса и правил загрузки.

Масса вытесненной воды

mвыт = ρводыVпогр

Равновесие

mобщ = mвыт

Учебная грузоподъёмность

mгруз = mвыт.доп − mсудна

Текущую массу судна нельзя путать с максимально допустимой нагрузкой.

Почему в солёной воде осадка того же судна меньше?

Для равенства ρV = m при большей плотности требуется меньший погружённый объём.

Подготовка воздушного шара к полёту

Нагретый воздух при близком к атмосферному давлении менее плотный. Подъём возможен, если выталкивание превосходит вес всей системы.

Benh LIEU SONG (Flickr) · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.

Контейнерный терминал Роттердама

При загрузке судна осадка увеличивается. Допустимая загрузка ограничена запасом плавучести и устойчивостью.

VileGecko · CC BY-SA 3.0 · Источник фотографии.

03

Аэростат: вытеснить тяжёлый воздух

На воздушный шар действует FА = ρвоздgV. Вниз действуют тяжесть газа внутри, оболочки, оборудования и груза. Подъём возможен, если выталкивание превосходит их суммарную тяжесть. Малой плотности газа самой по себе недостаточно: оболочка тоже имеет массу.

Гелиевый шар использует газ меньшей плотности, чем воздух; тепловой аэростат — нагретый воздух меньшей плотности при близком давлении. Плотности зависят от температуры и давления, поэтому расчёт относится к указанным условиям.

Аэростат: вытеснить тяжёлый воздух: сравнение
Часть балансаНаправление
Архимедова сила внешнего воздухаВверх
Тяжесть внутреннего газаВниз
Тяжесть оболочки и грузаВниз
РезультирующаяРазность этих вкладов

В расчёте подъёмной способности учитывают массу газа и оболочки.

Почему шар без груза может всё равно не взлететь?

Выталкивания может не хватить даже для газа внутри, оболочки и оборудования.

04

Расчёт: запас до равновесия

Максимальная добавочная масса при нейтральной плавучести mгруз = (ρвозд − ρгаз)V − mобол. При ρвозд = 1,2 кг/м³, ρгаз = 0,2 кг/м³, V = 10 м³ и mобол = 2 кг получаем 8 кг. Для начала подъёма нагрузка должна быть меньше этого предела.

Модель использует условные постоянные плотности, не предсказывает допустимость реального полёта и не учитывает ветер. Сравнивать аэростат с самолётом нужно по механизму подъёмной силы: у крыла существенен поток воздуха, у аэростата — выталкивание.

Внешний воздух

ρвоздV задаёт вытесненную массу

Внутренний газ

Вычесть ρгазV

Оболочка

Вычесть её массу и получить запас

Нулевая результирующая означает равновесие, а не обязательный подъём.

Если расчётная грузоподъёмность отрицательна, что это значит?

Шар в данных условиях не удержит даже собственные газ и оболочку без дополнительной поддержки.

Соберём главное

Шесть выводов

01Корабль плавает благодаря малой средней плотности всего объёма, включая полости.
02Текущую массу судна нельзя путать с максимально допустимой нагрузкой.
03В расчёте подъёмной способности учитывают массу газа и оболочки.
04Нулевая результирующая означает равновесие, а не обязательный подъём.
05Водоизмещение часто выражают в единицах массы; объёмное водоизмещение указывают отдельно.
06Воздухоплавание аэростатов и динамический полёт самолёта основаны на разных механизмах поддержки.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Стальной корабль плавает потому, что…
2. Плавающее судно вытесняет воду, масса которой…
3. При добавлении груза судно…
4. Из пресной воды в более плотную морскую судно переходит с осадкой…
5. Грузовая марка помогает…
6. Воздушный шар поднимается, если…
7. При нагревании воздуха в открытом шаре его плотность обычно…
8. При ρвозд = 1,2 кг/м³ и V = 10 м³ масса вытесненного воздуха…
9. В том же объёме газ плотностью 0,2 кг/м³ имеет массу 2 кг, оболочка — 2 кг. Предельная масса дополнительного груза…
10. Для подводной лодки при заполнении балластных цистерн водой…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 9 класс», § 30. Тема и содержание сверены с файлом «9 класс. Физика — § 30. Воздухоплавание.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…