Как найти грузоподъемность в физике

§ 1  Условия плавания судов. Характеристики судна

Рассмотрим условия плавания судов по рекам, озерам и морям.

Поставим небольшой опыт. Возьмем деревянный брусочек, положим на стол и подуем на него. Брусочек остается на месте. А теперь опустим его в широкую чашу с водой. Плотность дерева меньше плотности воды, поэтому действующая на него архимедова сила больше силы тяжести, и брусочек плавает на поверхности, частично погрузившись в воду. Подуем на него. Брусок скользит по поверхности воды.

Эту способность движения твердых тел по поверхности воды люди научились использовать тысячелетия назад. Первыми плавательными средствами были стволы деревьев, затем начали строить плоты и лодки. С течением времени размеры судов становились больше, появились парусные суда, пароходы, теплоходы.

В строительстве современных морских и речных судов применяют материалы, плотность которых больше плотности воды. Почему же эти сверхтяжелые корабли, танкеры, лайнеры, изготовленные из металла, держатся на поверхности воды и к тому же перевозят пассажиров и грузы?

Поставим еще один опыт. Возьмем пластинку металлической фольги и опустим в воду. Фольга утонет. Из такого же куска фольги сделаем кораблик. Мы видим, кораблик плавает на поверхности. Что изменилось? Масса фольги осталась прежней, значит, действующая на него сила тяжести не изменилась. Но объем кораблика больше объема куска фольги, поэтому архимедова сила, действующая на него, увеличилась. Если архимедова сила равна силе тяжести, то тело плавает.

Будем нагружать наш кораблик. Он глубже погружается в воду и может даже утонуть, если масса груза окажется очень большой для этого кораблика. Можем сделать вывод, что и на настоящие корабли нельзя помещать слишком много груза.

Известно, что тело плавает, если вес воды, вытесненной его подводной частью, равен весу этого тела в воздухе.

Значит, если вес воды, вытесненной подводной частью судна, равен весу этого судна вместе с грузом в воздухе, то это судно будет плавать.Если же вес судна вместе с грузом окажется больше веса вытесненной воды, то судно утонет.

Чтобы знать, сколько груза можно погрузить на судно, ввели следующие характеристики.

-Осадка – это глубина, на которую судно погружается в воду.

— Ватерлиния – красная линия на корпусе судна, показывающая наибольшую допустимую осадку судна.

— Водоизмещение – вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом.

— Грузоподъемность – вес полезного груза, перевозимого судном.

Нагружать судно можно только до тех пор, пока его осадка ниже ватерлинии. 

Чтобы найти грузоподъемность, нужно из веса вытесненной воды (водоизмещения) вычесть вес самого судна. Pгруза = Pвыт.воды — Pсудна

§ 2  Как плавают подводные лодки

А как плавают подводные лодки?

Для объяснения принципа плавания подводных лодок рассмотрим опыт. Нальем в стакан газированную воду и опустим виноградинку. Плотность винограда больше плотности воды, поэтому она утонет. Но через некоторое время виноградинка, вся облепленная пузырьками воздуха, поднимется на поверхность.

Так же и подводные лодки. В них есть специальные балластные отсеки, которые заполняются водой при погружении. Если же нужно подняться на поверхность, то сжатым воздухом вытесняют воду из этих отсеков. Средняя плотность лодки при этом становится меньше плотности воды и лодка всплывает.

§ 3  Решение задачи по теме урока

Рассмотрим решение задачи на плавание судов.

Задача: Судно, погруженное в пресную воду до ватерлинии, вытесняет воду объемом 15 000 м3. Вес судна без груза составляет 5 000 кН. Чему равна грузоподъемность судна? Чему равна масса груза?

Решение: Запишем условие задачи. Объем вытесненной воды, равный объему подводной части судна, обозначим Vвыт.воды., составляет 15 000 м3. Вес судна Pсудна = 5000 кН, в СИ 5 000 000 Н. Плотность воды ρж = 1000 кг/м3. Необходимо определить грузоподъемность, т.е. вес груза Pгруза и массу груза mгруза.

Чтобы найти вес груза, нужно из водоизмещения вычесть вес самого судна. Водоизмещение — это вес воды, вытесненной погруженной частью судна, равный весу судна вместе с грузом, обозначим Pвыт.воды. Тогда Pгруза = Pвыт.воды — Pсудна.

Найдем вес вытесненной воды (водоизмещение) по формуле Pвыт.воды = mвыт.воды.·g, где масса вытесненной воды равна произведению ее плотности на объем. 

Тогда Pвыт.воды = g·ρж·Vвыт.воды.

Формула определения веса груза запишется так: Pгруза = g·ρж·Vвыт.воды. — Pсудна. Подставим числовые значения величин, сократим единицы измерения и получим: Pгруза = 10 000 000 Н = 10 000 кН.

Тогда масса груза из формулы веса равна: mгруза = Pгруза :g = 1 000 000 кг = 1000 т.

Ответ: вес груза 10 000 кН, масса груза 1000 т

§ 4  Краткие итоги по теме урока

ВАЖНО ЗАПОМНИТЬ:

Если вес воды, вытесненной подводной частью судна, равен весу этого судна вместе с грузом в воздухе, то это судно будет плавать.

Осадка – это глубина, на которую судно погружается в воду.

Ватерлиния – красная линия на корпусе судна, показывающая наибольшую допустимую осадку судна.

Водоизмещение – вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Грузоподъемность – вес полезного груза, перевозимого судном.

Нагружать судно можно только до тех пор, пока его осадка ниже ватерлинии. Чтобы найти грузоподъемность, нужно из веса вытесненной воды (водоизмещения) вычесть вес самого судна: Pгруза = Pвыт.воды — Pсудна

Список использованной литературы:

1. Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 7 класс. – 3-е изд. – М.: ВАКО, 2009. – 368 с.
2. Волков В.А. Тесты по физике: 7-9 классы. – М.: ВАКО, 2009. – 224 с. – (Мастерская учителя физики).
3. Кирик Л.А. Физика -7. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. М.: Илекса, 2008. – 192 с.
4. Контрольно-измерительные материалы. Физика: 7 класс / Сост. Зорин Н.И. – М.: ВАКО, 2012. – 80 с.
5. Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 7 Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2010. – 128 с.
6. Перышкин А.В. Физика. 7 класс — М.: Дрофа, 2011.
7. Тихомирова С.А. Физика в пословицах и поговорках, стихах и прозе, сказках и анекдотах. Пособие для учителя. – М.: Новая школа, 2002. – 144 с.
8. Я иду на урок физики: 7 класс. Часть III: Книга для учителя. – М.: Издательство «Первое сентября», 2002. – 272 с.

Использованные изображения:

1. Почему корабли не тонут?

Для постройки современных судов используют различные материалы, в основном металлы, имеющие по сравнению с водой большую плотность.
Однако суда не тонут, а держатся на воде и перевозят еще большие грузы.

Как для любого плавающего тела, так и для судна, справедливо, что тело вытесняет своей подводной частью столько воды, что вес этой воды равен весу тела в воздухе.

Вес воды, вытесняемой подводной частью судна, равен весу судна с грузом в воздухе или силе тяжести, действующей на судно с грузом.

Например:

Почему тонет железный гвоздь, но не тонет корабль из металла?
Плотность железа много больше, чем плотность воды.
Вес сплошного железного гвоздя оказывается больше, чем вес, вытесненной им воды.
У корабля, сделанного из того же железа, средняя плотность (за счет внутренних полостей в корпусе) значительно ниже, чем плотность железа.
Вес, правильно сконструированного корабля, оказывается меньше веса вытесненной им воды.
Сделайте сплошую железяку в форме этого же корабля, и она точно утонет.
Однако, если раскатать гвоздь в тонкий железный лист и согнуть его в форме лодочки, он точно поплывет.

2. Что такое осадка судна?

Глубину, на которую судно погружается в воду, называют осадкой.
Наибольшая допускаемая осадка отмечена на корпусе судна красной линией, называемой ватерлинией.

3. Меняется ли осадка корабля при переходе из реки в море или обратно?

Да, так как плотность пресной (1000 кг//м3)и морской воды (1030 кг/м3) различны.

4. Что называется водоизмещением судна?

Вес воды, вытесняемой судном при погружении до ватер линии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом, называется водоизмещением судна.

Сейчас для перевозки нефти строят суда водоизмещением 5 000 000 кН (5 • 10⁶ кН) и больше, т. е. имеющие вместе с грузом массу 500 000 т (5 • 10⁵ т) и более.

5. Что показывает грузоподъемность судна?

Если из водоизмещения вычесть вес самого судна, то получим грузоподъемность этого судна.

Грузоподъемность показывает вес груза, перевозимого судном.

Приборы «ареометры» используются для измерения плотности жидкости.
Ареометр представляет собой стеклянную трубочку с расширением на конце.
Внутрь вставлена измерительная шкала, показывающая плотность жидкости.
В расширении на конце трубки запаян груз для равновесия.

Ареометр в зависимости от плотности жидкости погружается на большую или меньшую глубину.
Риска шкалы на уровне поверхности жидкости укажет плотность жидкости.

Если ареометр предназначен для жидкостей, имеющих плотность меньшую, чем вода, то деления на ареометре наносятся сверху вниз.
Если ареометр предназначен для жидкостей, имеющих плотность большую, чем вода, то деления на нем нанесены снизу вверх.
Начальной точкой отсчета шкалы в обоих случаях является значение плотности воды, равное 1000 кг/м³.