Плавание и воздухоплавание (7 класс)
В сегодняшнем занятии мы обсудим, как люди научились использовать архимедову силу в своих целях.
Первое использование появилось еще до появления Архимеда и тем более открытия законов плавания. Речь здесь, конечно же, идет о плавании по воде. Скорее всего, первое плавательное средство представляло собой плот из связанных между собой палок и стволов деревьев.
Затем кто-то догадался использовать парус, грести не руками, а веслами, и строить не плоты, а лодки и большие судна.
Первыми лучшими мореплавателями, как мы знаем из истории, считаются финикийцы, которые проживали в то время в государстве Карфаген (это современная территория Туниса). Они осуществляли торговлю по всему Средиземному морю, по этой причине у них и было хорошо развито мореходство.
Согласно древнегреческому историку Геродоту, именно финикийцы придумали триеры — античные боевые корабли. Традиционная триера времён греко-персидских войн имела 37 м в длину и 5,5 м в ширину, несла 170 гребных вёсел и 200 человек экипажа — то есть была весьма внушительным транспортным средством.
Разумеется, деревянный корабль, сколь бы велик он не был, все равно будет плавать на воде — так как плотность дерева меньше плотности воды. Удивительно то, что в воде будут столь же хорошо плавать корабли и из железа, хотя его плотность намного больше плотности воды. Убедимся в этом. Возьмем металлическую крышку, миску или блюдце и опустим его аккуратно на воду. Если вода не будет зачерпываться через его край, то наш предмет станет спокойно плавать. Попробуйте и вы провести этот несложный эксперимент.
Объясняется такое явление довольно просто. Посмотрим на рисунок.
По сути, любое судно, из какого бы материала его не сделали — это большая пустая емкость. Ее вес относительно мал, тогда как сила Архимеда, выталкивающая его — велика. Действительно, архимедова сила зависит от объема вытесненной телом жидкости (если быть точнее, равна ее весу). Подводная часть судна имеет большой объем, поэтому и выталкивающая сила больше силы тяжести, несмотря на то, что корабль сделан из металла.
По мере выталкивания судна из воды архимедова сила уменьшается и в конце концов становится равна силе тяжести. Итоговая глубина погружения судна называется осадкой. Наибольшая допускаемая осадка отмечается прямо на корпусе корабля так называемой ватерлинией. Ее хорошо видно на фотографии. Кстати, по ней же можно оценить, насколько велики современные корабли — на его палубе стоит желтый автокран, а снизу видны маленькие фигуры людей.
Допустим, мы разместили груз на корабле, так что он погрузился в воду до ватерлинии. Вес воды, вытесненный в этом случае, называется водоизмещением судна. Очевидно, что он равен суммарной силе тяжести, действующей на корабль с грузом.
Итак, люди с глубокой древности освоили мореплавание, пересекли все реки, моря и океаны. Но другой океан — воздушный — мы освоили относительно недавно. Первый полет аэростата (в данном случае — монгольфьера) произошел всего лишь чуть более 200 лет назад, конкретно — в 1783 году.
Посмотрим на рисунок. Основная идея любого аэростата состоит в том, чтобы взять большую оболочку и наполнить ее легким газом. Так как менее плотный газ поднимается в более плотном (опять же — из-за силы Архимеда), то и оболочка будет взлетать. Далее, как мы знаем, по мере подъема плотность атмосферы уменьшается, и наступит такой момент, когда силы тяжести и Архимеда станут равны. Это будет предельная высота полета аэростата.
Теперь попробуйте самостоятельно выполнить следующее задание. Допустим, мы взяли воздушный шар, в который накачали 1 кубический метр гелия при нормальный условиях. Для простоты будем считать, что оболочка шара невесома. Какова будет подъемная сила такого аэростата?
Запишем «дано». Для решения нам потребуется объем шара (1 кубометр), а также плотности воздуха (1.29 кг/м3) и гелия (0.18 кг/м3). Из этих величин нужно вычислить подъемную силу.
Подъемная сила вычисляется как разница между архимедовой силой и силой тяжести, действующий на газ в оболочке.
Как мы видим, подъемная сила получилась равной 11 ньютонам. Другими словами, каждый кубометр гелия способен поднять примерно 1 килограмм груза (здесь мы учитываем, что оболочка тоже имеет какую-то массу).
Конечно, можно использовать еще более легкий газ — водород, но он крайне горюч, в отличие от гелия. Самая известная катастрофа, связанная с водородным дирижаблем — гибель цеппелина «Гинденбург» в 1937 году.
С тех пор аэростаты заполняют либо гелием, либо нагретым воздухом. Также существуют комбинированные варианты.
Если насчет гелия и водорода все понятно, то почему же возможен полет на воздушном шаре с нагретым воздухом? Вспомним, как ведут себя газы при нагревании. Рассмотрим для удобства восприятия сосуд с подвижным поршнем. Вначале давление газа внутри и снаружи равны. Теперь зафиксируем поршень и нагреем газ внутри. Так как молекулы газа стали двигаться быстрее, то в единицу времени со стенками станет соударяться больше частиц. Кроме того, их удары станут сильнее. Это приводит к тому, что давление внутри сосуда станет выше.
Отпустим поршень, и он начнет двигаться, пока давление снаружи и внутри снова не уравновесится. Но, как мы видим, занятый объем увеличился, а масса газа осталась неизменной. Так как плотность — это масса, деленная на объем, то, следовательно, у нагретого газа она стала меньше.
Таким образом, если наполнить герметичную оболочку нагретым воздухом, то она тоже взлетит. В честь первооткрывателей такие аэростаты называют монгольфьерами. Попробуйте в конце видеоурока рассчитать реальный аэростат. Данный аэростат выполнен из полиэтилена, его общая масса равна 250 граммов. Радиус воздушного шара — 75 см, воздух внутри нагрет до температуры 80 градусов цельсия (при такой температуре воздух имеет плотность 1 кг/м3 ровно). Сможет ли взлететь такой шар?
Первое использование появилось еще до появления Архимеда и тем более открытия законов плавания. Речь здесь, конечно же, идет о плавании по воде. Скорее всего, первое плавательное средство представляло собой плот из связанных между собой палок и стволов деревьев.
Затем кто-то догадался использовать парус, грести не руками, а веслами, и строить не плоты, а лодки и большие судна.
Первыми лучшими мореплавателями, как мы знаем из истории, считаются финикийцы, которые проживали в то время в государстве Карфаген (это современная территория Туниса). Они осуществляли торговлю по всему Средиземному морю, по этой причине у них и было хорошо развито мореходство.
Согласно древнегреческому историку Геродоту, именно финикийцы придумали триеры — античные боевые корабли. Традиционная триера времён греко-персидских войн имела 37 м в длину и 5,5 м в ширину, несла 170 гребных вёсел и 200 человек экипажа — то есть была весьма внушительным транспортным средством.
Разумеется, деревянный корабль, сколь бы велик он не был, все равно будет плавать на воде — так как плотность дерева меньше плотности воды. Удивительно то, что в воде будут столь же хорошо плавать корабли и из железа, хотя его плотность намного больше плотности воды. Убедимся в этом. Возьмем металлическую крышку, миску или блюдце и опустим его аккуратно на воду. Если вода не будет зачерпываться через его край, то наш предмет станет спокойно плавать. Попробуйте и вы провести этот несложный эксперимент.
Объясняется такое явление довольно просто. Посмотрим на рисунок.
По сути, любое судно, из какого бы материала его не сделали — это большая пустая емкость. Ее вес относительно мал, тогда как сила Архимеда, выталкивающая его — велика. Действительно, архимедова сила зависит от объема вытесненной телом жидкости (если быть точнее, равна ее весу). Подводная часть судна имеет большой объем, поэтому и выталкивающая сила больше силы тяжести, несмотря на то, что корабль сделан из металла.
По мере выталкивания судна из воды архимедова сила уменьшается и в конце концов становится равна силе тяжести. Итоговая глубина погружения судна называется осадкой. Наибольшая допускаемая осадка отмечается прямо на корпусе корабля так называемой ватерлинией. Ее хорошо видно на фотографии. Кстати, по ней же можно оценить, насколько велики современные корабли — на его палубе стоит желтый автокран, а снизу видны маленькие фигуры людей.
Допустим, мы разместили груз на корабле, так что он погрузился в воду до ватерлинии. Вес воды, вытесненный в этом случае, называется водоизмещением судна. Очевидно, что он равен суммарной силе тяжести, действующей на корабль с грузом.
Итак, люди с глубокой древности освоили мореплавание, пересекли все реки, моря и океаны. Но другой океан — воздушный — мы освоили относительно недавно. Первый полет аэростата (в данном случае — монгольфьера) произошел всего лишь чуть более 200 лет назад, конкретно — в 1783 году.
Посмотрим на рисунок. Основная идея любого аэростата состоит в том, чтобы взять большую оболочку и наполнить ее легким газом. Так как менее плотный газ поднимается в более плотном (опять же — из-за силы Архимеда), то и оболочка будет взлетать. Далее, как мы знаем, по мере подъема плотность атмосферы уменьшается, и наступит такой момент, когда силы тяжести и Архимеда станут равны. Это будет предельная высота полета аэростата.
Теперь попробуйте самостоятельно выполнить следующее задание. Допустим, мы взяли воздушный шар, в который накачали 1 кубический метр гелия при нормальный условиях. Для простоты будем считать, что оболочка шара невесома. Какова будет подъемная сила такого аэростата?
Запишем «дано». Для решения нам потребуется объем шара (1 кубометр), а также плотности воздуха (1.29 кг/м3) и гелия (0.18 кг/м3). Из этих величин нужно вычислить подъемную силу.
Подъемная сила вычисляется как разница между архимедовой силой и силой тяжести, действующий на газ в оболочке.
Как мы видим, подъемная сила получилась равной 11 ньютонам. Другими словами, каждый кубометр гелия способен поднять примерно 1 килограмм груза (здесь мы учитываем, что оболочка тоже имеет какую-то массу).
Конечно, можно использовать еще более легкий газ — водород, но он крайне горюч, в отличие от гелия. Самая известная катастрофа, связанная с водородным дирижаблем — гибель цеппелина «Гинденбург» в 1937 году.
С тех пор аэростаты заполняют либо гелием, либо нагретым воздухом. Также существуют комбинированные варианты.
Если насчет гелия и водорода все понятно, то почему же возможен полет на воздушном шаре с нагретым воздухом? Вспомним, как ведут себя газы при нагревании. Рассмотрим для удобства восприятия сосуд с подвижным поршнем. Вначале давление газа внутри и снаружи равны. Теперь зафиксируем поршень и нагреем газ внутри. Так как молекулы газа стали двигаться быстрее, то в единицу времени со стенками станет соударяться больше частиц. Кроме того, их удары станут сильнее. Это приводит к тому, что давление внутри сосуда станет выше.
Отпустим поршень, и он начнет двигаться, пока давление снаружи и внутри снова не уравновесится. Но, как мы видим, занятый объем увеличился, а масса газа осталась неизменной. Так как плотность — это масса, деленная на объем, то, следовательно, у нагретого газа она стала меньше.
Таким образом, если наполнить герметичную оболочку нагретым воздухом, то она тоже взлетит. В честь первооткрывателей такие аэростаты называют монгольфьерами. Попробуйте в конце видеоурока рассчитать реальный аэростат. Данный аэростат выполнен из полиэтилена, его общая масса равна 250 граммов. Радиус воздушного шара — 75 см, воздух внутри нагрет до температуры 80 градусов цельсия (при такой температуре воздух имеет плотность 1 кг/м3 ровно). Сможет ли взлететь такой шар?
|
Приглашаем на наш
youtube-канал
youtube-канал