Исследовательский проект "Почему корабли не тонут?"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 16 имени В.П. Неймышева»

Почему корабли не тонут?

                                                             Автор:              Белов Кирилл

                                                                                       ученик 4 «Г» класса   

                                                                                       МАОУ СОШ № 16

                                                                                       Имени В.П. Неймышева 

                                        Руководитель:          Колеченкова Марина Николаевна    

г. Тобольск, 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                3

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. История кораблестроения                                                        5

1.2. Строение корабля и его свойства                                                9

1.3. Ватерлиния или «марка Плимсоля»                                                10

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Эксперимент                                                                                13

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ                                15

Приложение 1                                                                                16

Приложение 2                                                                                20

Приложение 3                                                                                21

Приложение 4                                                                                22

Приложение 5                                                                                26

Приложение 6                                                                                27

Приложение 7                                                                                29

ВВЕДЕНИЕ

Ветер на море гуляет
И кораблик подгоняет;
Он бежит себе в волнах
На раздутых парусах.

Александр Пушкин «Сказка о царе Салтане» (1984г.)

Летом 2020 года я с родителями отправился в отпуск в Санкт-Петербург. Мы специально летели туда что бы посмотреть Торжественный парад ко Дню Военно-морского флота, который отмечается в последнее воскресение июля. (Приложение 1. Рисунок 1). Я подошел к берегу Невы и бросил камушек в воду, он булькнул и пошел ко дну, я поднял глаза и увидел огромный корабль, который медленно проплывал мимо. Совсем рядом на большой скорости проплыл катер, который поднял волну. В голове возник вопрос: «Как так может быть маленький камушек пошел сразу ко дну, а многотонный корабль плывет по воде…» Я решил провести исследование и найти ответ на вопрос: «Почему корабли не тонут?»

Цель работы: выяснить причины, позволяющие кораблям  не тонуть.

Задачи:

1. Изучить историю кораблестроения или от бревна до современного корабля;
2. Выявить связь формы корабля и его плавучести;
3. Изучить значение ватерлинии или «марку Плимсоля»
4. Познакомится с Законом Архимеда
5. Провести эксперименты
6. Сделать выводы

Методы исследования:

1. - Сбор и анализ литературы и электронных источников;
2. - Проведение ряда экспериментов
3. - Наблюдение

Ожидаемые результаты исследования:

1. Получить новые знания о кораблях, интересные факты;
2. Узнать о строении кораблей;
3. Получить результаты  экспериментов;
4. Научиться самостоятельно работать с книгами, журналами, энциклопедиями.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. История кораблестроения

Человек научился плавать по воде для того, чтобы добыть себе пропитание. Самым первым судном стало, скорее всего, обычное упавшее дерево, которое столкнули в воду. Направляли это плавательное средство длинным шестом. (Приложение 1. Рисунок 2).

Вдоль рек возникали большие человеческие поселения, деревни и города. Так на берегу Волги расположено более 80 населенных пунктов (Приложение 1. Рисунок 3). Одни из самых старых городов Поволжья является Саратов (основан 1590г.), Самара (основан в 1586г.), Волгоград (основан в 1589г.), Астрахань (основан в1558г.), Казань (основан 1005г.).  Особенно неплохим местом для поселения была так называемая «стрелка» – полоска суши возле места слияния двух рек: здесь вода давала и естественную защиту от нападения недругов, например Нижний Новгород (основан в 1221г.). Одни из крупнейших рек в России это Обь, Енисей, Лена, Иртыш, Амур, Волга, Дон.

Люди еще в древности осознали ещё одну выгоду от соседства с рекой: по воде было легко путешествовать, куда проще, чем по земле. Ведь дорог тогда не строили, а по пустыне, лесной чащобе, джунглям, болотам, пешком далеко не уйдёшь. То ли дело – по реке: столкнул на воду бревно, уселся на него верхом, взял в руки шест – и плыви себе. Хочешь – на другой берег, выменять у соседей вкусного мёду на несколько волчьих шкур, а хочешь – вниз по реке, вдоль берегов, медленно, не затрачивая никаких усилий. Плавание по воде оказалось в древности самым простым и дешёвым способом путешествовать на большие расстояния (Приложение 1. Рисунок 4). Первым судном, которое построил человек, был плот: несколько брёвен, связанных вместе. На плоту можно было плыть, не замочив ног, а также перевозить грузы. Количество груза определялось размерами плота и лёгкостью дерева, которое шло на его строительство. Например, плот, связанный из прочного, но тяжёлого дуба, плохо держал груз, его легко захлёстывало водой. С изобретением плота была обретена остойчивость. Разновидностью плота стала папирусная (тростниковая) лодка, придуманная жителями долин рек Нил, Тигр и Евфрат. Тростник, обильно растущий по берегам этих рек, даром что трава, имеет толстые, полые внутри стебли длиной до полутора метров. Соединяя стебли тростника в пучки – вязанки, а затем формируя из нескольких вязанок плавучую платформу, древнеегипетские и шумерские судостроители создали грузоподъёмное и надёжное судно для плавания по спокойным водам (Приложение 1. Рисунок 5).

Сегодня много кораблей сделанных из металла, но они не тонут. Причина в том, что их корпус наполнен воздухом. Воздух намного менее плотное вещество, чем вода. У корабля образуется, как бы общая, суммарная плотность воздуха и металла. В результате этого средняя плотность корабля вместе с огромным объемом воздуха в его корпусе становится меньше плотности воды. (Приложение 1. Рисунок 6).

Мой первый вывод,  корабль не тонет потому что воздух внутри него держит его на плову, будь то бревно, в древесине есть воздух, который не давал утонуть плоту, яркий пример с полым тростником или огромный крейсер с отсеками заполненными воздухом.

Для подтверждения вывода, я провел первый эксперимент.

Следующий вопрос, который я решил изучить влияет ли форма корабля на его плавучесть, для этого мне пришлось изучить много литературы. Так  доподлинно неизвестно, до чего наши предки додумались раньше — связать несколько брёвен или слегка обработать одно, чтобы на нём плыть. Чтобы переправиться через поток, древний человек мог срубить лёгкое дерево, очистить ствол от ветвей, лечь на него и плыть, загребая руками.

Плыть было удобнее тонким концом бревна вперёд, и человек понял, что, если заострить носовой конец бревна, легче будет «взрезать» поток. Лежать проще на плоской поверхности, и пловец стесал горбыль бревна-лодки. А ещё лучше сидеть внутри бревна, чтобы вода не заливала и крокодилы не достали, — надо выдолбить или выжечь углубление для гребца. Края выдолбленного бревна распирали палками. Так из бревна получалась лодка-долблёнка (Приложение 1. Рисунок 7). В долблёнке, называемой также челном, однодеревкой или каноэ, помещалось обычно до трёх человек, но из стволов огромных деревьев делали лодки на десятки человек.

На Руси судостроение и мореплавание были известны с самых отдаленных времен. Наскальные рисунки, датируемые примерно 3000 лет до н. э., изображающие охоту с гарпуном на морского зверя встречались на побережье Белого моря. Одно из древнейших судов, обнаруженных на территории России, датируют примерно V в. до н. э.

В XII в. на Руси впервые были построены палубные суда; палубы, предназначенные для размещения воинов, одновременно служили защитой гребцам.

шитик — плоскодонное судно с навесным рулем, оснащенное мачтой с прямым парусом и веслами;

карбас — оснащался двумя мачтами, несущими прямые рейковые или шпринтовые;

поморская лодья — имела три мачты, несущие по прямому парусу;

раньшина — судно, где корпус в подводной части имел яйцевидную форму. Благодаря этому при сжатии льдов, среди которых приходилось плавать, судно «выжималось» на поверхность, не подвергаясь деформациям и снова погружалось в воду при расхождении льдов.

Организованное морское судостроение в России началось в конце XV в., когда в Соловецком монастыре была основана верфь для постройки промысловых судов.

Первое в России морское судно иноземной конструкции «Фридерик» было построено в 1634 г. в Нижнем Новгороде русскими мастерами. В 1667—1669 гг. на верфи в с. Дединове был построен морской корабль «Орёл», организатором постройки был боярин Ордын-Нащекин.

В июне 1693 г. Пётр I заложил в Архангельске первую казенную верфь для постройки военных кораблей. Там построены: 24-пушечный корабль «Апостол Павел» (1640), фрегат «Святое Пророчество» (1640), галера и транспортное судно «Фламов». Они образовали на Белом море первую русскую военную флотилию (Приложение 1. Рисунок 8).

Весной 1700 г. был построен 58-пушечный корабль «Гото Предестинация». В 1702 г. в Архангельске были спущены два фрегата: «Святой Дух» и «Меркурий».

В 1703 г. был заложен Санкт-Петербург, центром которого стало Адмиралтейство — самая большая судостроительная верфь в стране. Первым крупным судном, сошедшим со стапеля Адмиралтейской верфи был построенный Федосием Скляевым и Петром Первым в 1712 г. 54-пушечный корабль «Полтава». К 1714 г. Россия имела свой парусный флот. Самым большим судном петровского времени был 90-пушечный корабль «Лесное» (1718).

Сегодня судостроение одно из важнейших направлений в Российской Федерации.

Для подтверждения гипотезы «Корабль не тонет, потому что имеет особую форму» я провел два опыта, второй и третий соответственно.

1.2. Строение корабля и его свойства

Современный корабль вообще, будь то военный корабль или гражданское судно, состоит из корпуса, днища, борта, палубы, наружной обшивки и переборки, носа судна, шахты и корабельной системы. Только точные расчеты позволяет совершать перевозки грузов по морским путям. Ярким примером выступает супер танкер «Океания» грузоподъемность которого составляет 440 тысяч тон при возможности развить скорость до 16-18 узлов, при этом длина судна 380 метров. (Приложение 2. Рисунок 1)

Одно судно от другого отличается размерами. Размеры своего маломерного судна, или, как их называют, главные размерения, судоводитель должен знать. Главными размерениями судна являются: длина, ширина, осадка и высота борта. Они бывают габаритными, наибольшими, расчетными и максимальными. Габаритные размерения учитывают все выступающие части корпуса. Они используются при вычислении различных сборов и в других случаях, когда играют роль габариты судна. Наибольшие размерения учитывают размеры корпуса судна по внутренней стороне обшивки в деревянном судостроении и по наружной стороне обшивки в металлическом. Расчетные - используются в расчетах характеристик судна. Максимальные - эти габаритные размерения относятся в основном к судам с выступающими частями, которые можно изменить, не нарушая целостности конструкции.

Носом корабля называется передняя, кормой – задняя оконечности корпуса, его боковые поверхности – бортами. Правый борт по ходу движения моряки называют штирбортом, левый – бакбортом. Дном или днищем называется нижняя часть корабля, палубами – горизонтальные перекрытия. Трюм корабля – это самое нижнее помещение, которое находится между днищем и нижней палубой. Межпалубное пространство называется твиндеком (Приложение 2. Рисунок 2, 3).

1.3. Ватерлиния или «марка Плимсоля»

Ватерли́ния  это – линия соприкосновения спокойной поверхности воды с корпусом плавающего судна.

На практики наиболее важной является «грузовая ватерлиния» показывающая на сколько судно можно «притопить» грузами, не рискуя утопить его. Понятно, что хозяева судов из экономии стараются загрузить судно по полной. К сожалению история судоходства полна случаев, когда такая жадность судовладельцев приводила к катастрофам. В 19 веке моряки даже прозвали британские коммерческие суда «плавучими гробами», так как их владельцам проще было застраховать судно, чем обеспечить его безопасность. Грузовая ватерлиния стала компромиссом между скупостью коммерсантов и требованиями безопасности.(Приложение 3. Рисунок 1, 2)

Грузовую ватерлинию задает специальный рисунок на борту судна – «грузовая марка», или как его принято называть в честь ее изобретателя Сэмуэля Плимсоля – «марка Плимсоля» или «диск Плимсоля». Сэмуэль Плимсоль был депутатом британского парламента и запомнился борьбой за ужесточение правил безопасности на море, обеспечивающих сохранение жизни экипажа (за свою деятельность Плимсоль даже получил прозвище «друг моряков»). Одним из его идей было нанесение на все суда специального маркера, обозначающего максимально возможную осадку. Знак представляет собой окружность, разделенную ровно пополам горизонтальной линией (вот эта самая линия и есть предельный уровень осадки груженого судна. Если эта линия при загрузке судна уйдет под воду, то есть шанс, что плавание пойдет не по-горизонтали, а по-вертикали на дно.

По сторонам марки Плимсоля размещаются буквы, обозначающие организацию, проведшую необходимые расчеты и измерения, т.е. взявшую на себя ответственность за объективность нанесения ватерлинии:

• в России это литеры "РС" - Российский морской регистр судоходства
• Один из наиболее авторитетных международных регистров - регистр Ллойда использует литеры "L R"
• GL - германский Ллойд (Germanischer Lloyd).
• NV - норвежский регистр судоходства (Norske Veritas)
• AB - американское бюро судоходства (American Bureau of Shipping)
• BV - французское "Бюро Веритас" (Bureau Veritas)
• NK - японский регистр судоходства (Nippon Kaiji Kyokai)

Диск Плимсоля на украинском судне. Буквы «РУ» обозначают судовой регистр Украины. (Приложение 3 Рисунок 3)

Но одной линии для определения максимально допустимой загрузки судна недостаточно.

Условие плавания тел в воде открыл еще в 3 веке до нашей эры греческий ученый Архимед: «На тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая или подъёмная сила, равная весу объёма жидкости, вытесненного частью тела, погружённой в жидкость. Сила, выталкивающая из воды, именуется силой Архимеда, если она равна силе тяжести, действующей на тело, то это тело плывёт, если архимедова сила меньше силы тяжести, то тело.»

Архимедова сила F рассчитывается по формуле:

F = r g V

где r - плотность вытесняемой жидкости, g - ускорение свободного падения, V - объем вытесненной жидкости, то есть объем части тела, погруженной в воду. При этом масса равна объем умножить на плотность (m= rV)

g - для планеты Земля постоянно и равно 9,8 м/с2. V растет с погружением судна в воду (т.е. чем глубже судно тонет, тем сильнее его выталкивает вода). А вот плотность жидкости является в этой формуле «слабым звеном». Плотность воды на земном шаре совсем не постоянна. Пресная вода имеет наибольшую плотность при температуре +4 С, она равна примерно 1000 кг на кубический метр. Чем теплее вода, тем она менее плотная, при температуре 90 С, плотность воды понижается до 965 кг/м3. Соленая вода тяжелее пресной, плотность морской воды может достигать 1030 кг/м3.

Центральная линия марки Плимсоля соответствует ватерлинии в летней солёной океанской воде. Но судно вполне может из тёплого океана направиться в холодный, из соленой акватории в пресноводную реку. Разница в величинах плотности воды в этих условиях на первый взгляд невелика, но при расчете загрузки огромного судна ошибка даже в несколько процентов может быть фатальной. Например, загрузили судно «под завязку» в холодной соленой морской воде, благополучно отбыли в тропики, а в прогретой воде плотность упала, архимедова сила стала меньше, и ваше судно пошло ко дну.

Поэтому грузовые марки снабжают целой серией дополнительных «ватерлиний», каждая из которых подписана буквенным шифром:

F - fresh - пресная вода, например, американские Великие озера

T - tpopical - морская вода в тропиках, например, дельта Амазонки

S - summer - морская вода летом

W - winter - морская вода зимой; считается, что зимнее море опаснее летнего, поэтому перегруз судна особенно опасен зимой

TF - Tropical fresh water - пресная вода в тропиках

WNA - winter North Atlantic - вода зимой в Северной Атлантике; Северная Атлантика считается наиболее опасным районом, от перегруза перестраховываются с большим запасом. Проведу эксперимент номер четыре.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Эксперименты

Первый эксперимент: положил несколько монет в воздушный шарик и опустил в воду, шарик утонул. Наполнил шарик воздухом и погружал в воду, при этом шарик вылетал из неё наружу. Это действует выталкивающая сила, сила Архимеда. Она удерживает корабль на плаву и позволяет кораблю плавать (Приложение  4. Рис.1-8).

Второй эксперимент: взяв два одинаковых куска пластилина, из одного скатал шарик, а из ругого сделал лодочку и опустил в воду, шарик опустился на дно, а лодочка осталась на поверхности. (Приложение 5. Рисунок 1-2)

Для третьего эксперимента мне потребовалась обычная крышка от кастрюли и пластиковая тарелка, опустил крышку кастрюли на воду сначала в горизонтальном положении, а потом вертикально. В горизонтальном положении крышка не тонет, а в вертикальном сразу идёт ко дну. Тоже самое повторил и с пластиковой тарелкой, в горизонтальном не тонет, а в вертикальном идет ко дну.  (Приложение 6 Рисунок 1-4). Плавучесть предмета зависит от его формы. Непотопляемость корабля зависит от его строения.

Проведу четвёртый эксперимент с соленой и пресной водой и яйцом, для наглядности я взял два стакана и два сырых яйца. Налил в один из стаканов обычной водопроводной воды. Опустил яйцо в стакан. Яйцо утонуло и опустилось на дно стакана. Налил во второй стакан теплой воды. Добавил в этот стакан 7 столовых ложек соли. И размешал соль, чтобы она полностью растворилась в воде. Опустил второе яйцо в стакан, в котором растворил соль. Яйцо плавает на поверхности. (Приложение 7 Рисунок 1-8)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы над темой я узнал много интересного об истории кораблестроения, а также о том, что помогает кораблям держаться на поверхности воды. Как правильно рассчитать грузоподъёмность корабля.

Из результатов поставленных экспериментов, я пришел к выводу, что корабли не тонут, если: корабль построен из нетонущего материала, плотность которого меньше, чем плотность воды. Корпус корабля имеет особую форму и может держаться на воде под воздействием определённых сил. На корпус корабля, погруженный в воду, действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная верх, к поверхности воды. От плотности воды, пресная вода или соленная зависит, выталкивающая сила, сила Архимеда, так соленая вода тяжелее пресной.  Корабль имеет особое строение корпуса, и воздух, находящийся внутри отсеков судна,  помогает кораблю держаться на поверхности воды. Ватерлиния обозначает максимально возможную осадку.

Список литературы:

1. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
2. Судостроение // Морской энциклопедический словарь / Дмитриев В. В.. — СПб.: «Судостроение», 1994. — Т. 3. — С. [216] (стб. 2). — 487 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-7355-0282-4.
3. Ловягин Р. М. Судостроение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
4. Россия // Атлас мира / сост. и подгот. к изд. ПКО «Картография» в 2009 г. ; гл. ред. Г. В. Поздняк. — М. : ПКО «Картография» : Оникс, 2010. — С. 79. — ISBN 978-5-85120-295-7 (Картография). — ISBN 978-5-488-02609-4 (Оникс).
5. Источник: https://km-rus.ru/vaterliniya-na-korable-chto-takoe-vaterliniya-vidy-vaterlinii/
6. Источник: https://hvatalkin.ru/opyty/yaico-v-stakane 
7. Источник: https://www.center-pss.ru/st/table/tabl-plotnosti-vodi.htm