Главная » Рыбалка

Плавучий пловец поплавок плавучесть плавун

На чтение 24 мин Обновлено
Содержание
  1. 4 упражнения для развития плавучести
  2. Плавучесть
  3. Содержание
  4. Закон Архимеда
  5. Плавучесть корабля (судна)
  6. Запас плавучести
  7. Нейтральная плавучесть
  8. Отрицательная плавучесть
  9. Гипотеза прямобортности
  10. См. также
  11. Примечания
  12. Литература
  13. Ссылки
  14. Смотреть что такое «Плавучесть» в других словарях:
  15. Плавучесть — Buoyancy
  16. СОДЕРЖАНИЕ
  17. Принцип архимеда
  18. Силы и равновесие
  19. Упрощенная модель
  20. Статическая стабильность
  21. Жидкости и объекты
  22. Сжимаемые объекты
  23. Подводные лодки
  24. Шарики
  25. Дайверы
  26. Плотность

4 упражнения для развития плавучести

Вы наверняка слышали, что пловцы обладают неким чувством воды. И что чем лучше оно развито, тем быстрее и легче пловец преодолевает дистанцию. Неважно где, в бассейне или на открытой воде, вода помогает удерживать тело на плаву и придает дополнительную скорость спортсмену.

Плавучесть – это умение удерживать тело в равновесии. Баланс – ключевое свойство плавучести, как и плавания в целом. Если вы хотите научиться плавать , то без умения чувствовать собственный центр тяжести не обойтись. Это несложно, но требует много практики.

Когда человек находится в горизонтальном положении, его центр тяжести находится в районе поясницы. Для пловцов, проходящих начальный этап обучения плаванию, характерна разбалансировка.

Причины этого кроются в следующем:

  • При дыхании голова инстинктивно задирается вверх, а ноги при этом опускаются.
  • При движении корпус уходит под воду (в плечах отсутствует гибкость).
  • Тело напряжено и создает сопротивление с водой.

Пловец должен уметь удерживать тело в одной линии, чувствуя, какими движениями упрочить баланс и при этом не напрягаться. Если тело напряжено, оно тонет – запомните это.

Упражнения для развития плавучести

Теперь от теории перейдем к практике.

Это одно из базовых упражнений для бассейна. Кроме развития плавучести, оно научит правильному дыханию и избавит от страха воды. Начните работу над балансом, не отходя далеко от края бассейна, чтобы была возможность опереться на борт.

  • Исходное положение – стоя по грудь в воде.
  • Сделайте вдох и задержите дыхание.
  • Прижмите колени к животу, крепко обхватив их.
  • Дождитесь, пока ваша спина окажется на поверхности.
  • Не спешите выдыхать. Не поднимайте голову.
  • Делайте упражнение на счет 8: первые 4 сек. считайте медленно, с задержкой. Оставшиеся 4 сек. считайте в обычном темпе, медленно выдыхая.
  • быстрый выдох;
  • поднятие головы;
  • раннее расцепление рук.

Упражнение «стрелочка» также отрабатывается около борта бассейна. Благодаря «стрелочке» вы научитесь удерживать тело на поверхности воды в правильном положении.

  • Исходное положение – «поплавок».
  • Медленно сосчитайте до 4.
  • Вытяните руки и ноги в одну линию с телом.
  • Пятки удерживайте на поверхности. Руки сомкните вместе, как и ноги.
  • Задержите дыхание на 2 сек.
  • Следующие 2 сек. выдыхайте и вновь примите положение «поплавок».
  • тело слишком расслаблено, чтобы вытянуться в линию;
  • пятки опускаются в воду;
  • руки поднимаются над водой.

В момент вытяжения в линию вы почувствуете тот самый баланс, о котором я говорила в начале статьи. Чем выше подняты голова и руки, тем ниже опустятся ноги и наоборот. Почувствуйте равновесие и удерживайте его. Все получится!Стрелочка»

На начальном обучении плавания это упражнение позволит добиться, чтобы затылок, поясница и пятки оказались на одной линии.

  • Исходное положение – «поплавок».
  • На счет 2 выходим в «стрелочку».
  • На счет 2 разводим руки и ноги по сторонам.
  • На счет 2 выдыхаем и возвращаемся в «поплавок».
  • Повторяем на спине.

«Стрелочка» в движении

Усложненный вариант «стрелочки». Подойдет для тех, кто уже освоил предыдущие упражнения.

  • Вдохните и задержите дыхание.
  • Оттолкнитесь от бортика и вытянетесь в «стрелку».
  • Поднимите пятки к поверхности воды так сильно, как сможете.
  • Скользите по воде, пока не остановитесь.

Больше упражнений и бесплатных уроков плавания вы найдете на нашем YouTube канале . Не спешите отрабатывать способы и техники плавания, пока не разовьете плавучесть и не научитесь правильно дышать, выполняя упражнения из этой статьи. А лучше приходите к нам учиться.

До встречи на тренировке по плаванию!

Плавучесть

Плавучесть — свойство погружённого в жидкость тела оставаться в равновесии, не выходя из воды и не погружаясь дальше, то есть плавать. Также — раздел теории корабля, изучающий плавучесть.

Содержание

Закон Архимеда

Древнегреческий учёный Архимед сформулировал закон, по которому погружённое тело плавает в равновесии, когда его вес равен весу вытесненного им объёма жидкости.

При этом сила выталкивания, по природе сила давления, зависит от плотности жидкости (ρfluid), а вес (Gravity) от плотности тела (ρobject). Обе силы являются равнодействующими распределённых нагрузок. Понятно, что чем выше плотность жидкости, тем меньшая часть тела погрузится до равновесия. Наоборот, чем больше плотность тела при заданном объёме, тем больше его масса m, и тем глубже оно погрузится.

При отсутствии поверхностного натяжения, уравнение равновесия плавающего тела будет выглядеть:

где Pobject — вес тела, g — ускорение свободного падения, Pim — вес погружённого тела.

Считают, что Архимед вывел этот закон, решая задачу определения плотности тела, не прибегая к объёмам. По легенде, ему требовалось узнать, из золота ли сделана корона, весившая столько же, сколько золотой слиток. Прямо измерить объём короны он не мог из-за её сложной формы. [1]

Плавучесть корабля (судна)

Запас плавучести

Под плавучестью корабля понимают его способность оставаться на плаву при заданной нагрузке. Эта способность характеризуется запасом плавучести, который выражается как процент объёма водонепроницаемых отсеков выше ватерлинии к общему водонепроницаемому объёму. Любое нарушение непроницаемости ведёт к снижению запаса плавучести. Для корабля (судна), у которого корпус водонепроницаем по главную палубу:

где Vн — объём подпалубных помещений над ватерлинией, Vo — весь объём подпалубных помещений.

Уравнение равновесия в этом случае имеет вид:

где P — вес судна, γ — плотность воды, V — погружённый объём, и называется основным уравнением плавучести

Из него следует:

  1. при неизменной плотности γ изменение нагрузки P сопровождается пропорциональным изменением погружённого объёма V до достижения нового положения равновесия. То есть, при увеличении нагрузки судно «садится» в воду глубже, при уменьшении всплывает выше.
  2. при неизменной нагрузке P изменение плотности γ сопровождается обратно пропорциональным изменением погружённого объёма V. Так, в пресной воде судно сидит глубже, чем в солёной.
  3. изменение объёма V при прочих равных сопровождается изменением осадки. Например, при балластировке забортной водой или аварийном затоплении отсеков можно считать, что судно не приняло груз, а уменьшило погружённый объём, и осадка увеличилась — судно сидит глубже. При откачке воды происходит обратное.

Физический смысл запаса плавучести — это объём воды, который судно может принять (скажем, при затоплении отсеков), ещё оставаясь на плаву. Запас плавучести 50 % значит, что водонепроницаемый объём выше ватерлинии равен объёму ниже неё. Для надводных кораблей характерны запасы 50÷60 % и выше. Считается, что чем бо́льший запас удалось получить при постройке, тем лучше.

Нейтральная плавучесть

Когда объём принятой воды (для надводного корабля) в точности равен запасу плавучести, считается что плавучесть утеряна — запас равен 0 %. Действительно, в этот момент корабль погружается по главную палубу и находится в неустойчивом состоянии, когда любое внешнее воздействие может вызвать его уход под воду. А в воздействиях, как правило, недостатка нет. В теории этот случай называется нейтральная плавучесть.

Отрицательная плавучесть

При приёме объёма воды больше чем запас плавучести (или любого груза, большего по весу) говорят, что судно получает отрицательную плавучесть. В этом случае оно неспособно плавать, а может только тонуть.

Поэтому для судна устанавливается обязательный запас плавучести, который оно должно иметь в неповреждённом состоянии для безопасного плавания. Он соответствует полному водоизмещению и маркируется ватерлинией и / или грузовой маркой.

Гипотеза прямобортности

Для определения влияния переменных грузов на плавучесть пользуются допущением, при котором считается, что прием малых (менее 10 % водоизмещения) грузов не меняет площадь действующей ватерлинии. То есть изменение осадки считается так, словно корпус является прямой призмой. Тогда водоизмещение прямо зависит от осадки.

Читайте также:  Воблер джексон катана 130сп

Исходя из этого, определяется фактор изменения осадки, обычно в т/см:

где S — площадь действующей ватерлинии, q означает величину изменения нагрузки в тоннах, необходимую для изменения осадки на 1 см. При обратном расчете он позволяет определить, не вышел ли из допустимых пределов запас плавучести.

См. также

Примечания

Литература

  • Войткунский, Я. И. Справочник по теории корабля. Т.2. Статика судов. Качка судов. Л., Судостроение, 1986.
  • Сизов, В. Г. Теория корабля: Учебное пособие для вузов. Одесса, Феникс, 2003.

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Плавучесть» в других словарях:

ПЛАВУЧЕСТЬ — (Buoyancy) способность судна плавать на воде, неся на себе назначенные по роду его службы грузы, имея при этом заданную осадку носом и кормой (грузовую ватерлинию). Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское… … Морской словарь

Плавучесть — ПЛАВУЧЕСТЬ, или способность держаться на водѣ, имѣя заданную осадку, есть главнѣйш. кач во всякаго к бля; по закону Архимеда, для этого необходимо, чтобы вѣсъ к бля равнялся вѣсу воды въ объемѣ подводн. части по данную ватерлинію, т. е.… … Военная энциклопедия

ПЛАВУЧЕСТЬ — ПЛАВУЧЕСТЬ, направленное вверх давление, оказываемое на предмет средой (жидкостью или газом), в которую он погружен. Давление действует на предмет со всех сторон, но снизу оно сильнее, поскольку нижняя часть предмета находится на большей глубине … Научно-технический энциклопедический словарь

ПЛАВУЧЕСТЬ — ПЛАВУЧЕСТЬ, и, жен. (спец.). Способность плавучего средства держаться на плаву благодаря силе поддерживающей его воды. П. судна. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

плавучесть — Тенденция погруженного в жидкость тела двигаться в вертикальном направлении в зависимости от отношения плотностей этого тела и окружающей жидкости. [http://www.oceanographers.ru/index.php?option=com glossary&Itemid=238] Тематики океанология EN… … Справочник технического переводчика

плавучесть — Способность предмета, удельный вес которого меньше, чем у воды, держаться на водной поверхности. Syn.: сила плавучести … Словарь по географии

плавучесть — способность корабля (судна) плавать в определённом положении, неся на борту заданное количество грузов … Морской биографический словарь

плавучесть — 3.10 плавучесть: Силы, действующие на частично погруженное в воду тело, т. е. свойство погруженного в жидкость тела оставаться в равновесии на плаву, не погружаясь полностью в воду. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Плавучесть — судна, способность судна с грузом на борту плавать в заданном положении относительно водной поверхности; одно из важнейших мореходных качеств (См. Мореходные качества) судна. Для обеспечения безопасности плавания каждое судно должно… … Большая советская энциклопедия

Плавучесть — Буквально способность судна плавать на воде; термин этот употребляется для выражения степени безопасности судна от погружения в воду при получении пробоины. На военных судах за меру П. принимают отношение объема защищенных (бронированных) частей… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Плавучесть — Buoyancy

Плавучесть ( / б ɔɪ ə н ев я , б ¯u J ə п ев я / ), или выпячиваться , является вверх сила , оказываемое жидкостью , которая противостоит вес в частично или полностью погруженного объекта. В столбе жидкости давление увеличивается с глубиной в результате веса вышележащей жидкости. Таким образом, давление в нижней части столба жидкости больше, чем в верхней части столба. Точно так же давление в нижней части объекта, погруженного в жидкость, больше, чем в верхней части объекта. Разница давлений приводит к возникновению направленной вверх силы на объект. Величина силы пропорциональна разности давлений и (как объясняется принципом Архимеда ) эквивалентна весу жидкости, которая в противном случае занимала бы погруженный объем объекта, то есть вытесненная жидкость.

По этой причине объект, средняя плотность которого больше, чем у жидкости, в которую он погружен, имеет тенденцию тонуть. Если объект менее плотный, чем жидкость, сила может удерживать объект на плаву. Это может происходить только в неинерциальной системе отсчета , которая либо имеет гравитационное поле, либо ускоряется из-за силы, отличной от силы тяжести, определяющей «нисходящее» направление.

Центр плавучести объекта является центром тяжести вытесненного объема жидкости.

СОДЕРЖАНИЕ

Принцип архимеда

Принцип Архимеда был назван в честь Архимеда из Сиракуз , который первым открыл этот закон в 212 г. до н. Для объектов, плавающих и затонувших, а также находящихся в газах и жидкостях (т. Е. В жидкости ), принцип Архимеда можно сформулировать в терминах сил:

Любой объект, полностью или частично погруженный в жидкость, подпитывается силой, равной весу жидкости, вытесняемой объектом.

— с пояснениями, что для затонувшего объекта объем вытесненной жидкости равен объему объекта, а для плавающего объекта на жидкости вес вытесненной жидкости является весом объекта.

Короче: выталкивающая сила = вес вытесненной жидкости.

Принцип Архимеда не учитывает поверхностное натяжение (капиллярность), действующее на тело, но эта дополнительная сила изменяет только количество вытесненной жидкости и пространственное распределение смещения , поэтому принцип, согласно которому плавучесть = вес вытесненной жидкости, остается в силе.

Вес вытесненной жидкости прямо пропорционален объему вытесненной жидкости (если окружающая жидкость имеет однородную плотность). Проще говоря, принцип гласит, что выталкивающая сила, действующая на объект, равна весу жидкости, вытесняемой объектом, или плотности жидкости, умноженной на погруженный объем, умноженную на ускорение свободного падения g. Таким образом, среди полностью погруженных в воду объектов равной массы объекты большего объема обладают большей плавучестью. Это также известно как аптраст.

Предположим, что вес камня составляет 10 ньютонов, когда он подвешен на веревке в вакууме под действием силы тяжести. Предположим, что когда камень опускается в воду, он вытесняет воду весом 3 ньютона. Сила, которую он затем оказывает на веревку, на которой он висит, будет составлять 10 ньютонов минус 3 ньютона силы плавучести: 10 — 3 = 7 ньютонов. Плавучесть снижает кажущийся вес объектов, полностью погрузившихся на морское дно. Как правило, легче поднять предмет через воду, чем вытащить его из воды.

Если предположить, что принцип Архимеда переформулируется следующим образом,

кажущийся погруженный вес знак равно масса — вес вытесненной жидкости <\ displaystyle <\ text <кажущийся погруженный вес>> = <\ text > — <\ text <вес вытесненной жидкости>> \,>

затем вставляется в коэффициент весов, который был расширен на общий объем

плотность объекта плотность жидкости знак равно масса вес вытесненной жидкости , <\ displaystyle <\ frac <\ text <плотность объекта>> <\ text <плотность жидкости>>> = <\ frac <\ text > <\ text <вес вытесненной жидкости>>>, \, >

дает формулу ниже. Плотность погружаемого объекта относительно плотности жидкости можно легко рассчитать без измерения каких-либо объемов:

плотность объекта плотность жидкости знак равно масса масса — кажущийся погруженный вес <\ displaystyle <\ frac <\ text <плотность объекта>> <\ text <плотность жидкости>>> = <\ frac <\ text > <<\ text > — <\ text <видимый погруженная масса>>>> \,>

(Эта формула используется, например, для описания принципа измерения дасиметра и гидростатического взвешивания .)

Пример: если вы уроните дрова в воду, плавучесть удержит их на плаву.

Пример: воздушный шар с гелием в движущейся машине. В период увеличения скорости воздушная масса внутри автомобиля движется в направлении, противоположном ускорению автомобиля (т. Е. По направлению назад). Воздушный шар также тянется таким же образом. Однако, поскольку воздушный шар обладает плавучестью по отношению к воздуху, он в конечном итоге отталкивается «в сторону» и фактически дрейфует в том же направлении, что и ускорение автомобиля (т. Е. Вперед). Если автомобиль замедлится, тот же воздушный шар начнет дрейфовать назад. По той же причине, когда машина движется по кривой, воздушный шар смещается внутрь кривой.

Читайте также:  Зимняя рыбалка без посредников

Силы и равновесие

Уравнение для расчета давления внутри жидкости в состоянии равновесия:

ж + div σ знак равно 0 <\ displaystyle \ mathbf + \ operatorname

\, \ sigma = 0>

где f — плотность силы, оказываемая некоторым внешним полем на жидкость, а σ — тензор напряжений Коши . В этом случае тензор напряжений пропорционален тензору идентичности:

σ я j знак равно — п δ я j . <\ displaystyle \ sigma _ = — p \ delta _ . \,>

Здесь δ ij — символ Кронекера . Используя это, приведенное выше уравнение становится:

ж знак равно ∇ п . <\ Displaystyle \ mathbf <е>= \ набла п. \,>

Предполагая, что внешнее силовое поле является консервативным, то есть его можно записать как отрицательный градиент некоторой скалярной функции:

ж знак равно — ∇ Φ . <\ Displaystyle \ mathbf = — \ nabla \ Phi. \,>

∇ ( п + Φ ) знак равно 0 ⟹ п + Φ знак равно постоянный . <\ displaystyle \ nabla (p + \ Phi) = 0 \ Longrightarrow p + \ Phi = <\ text >. \,>

Следовательно, форма открытой поверхности жидкости равна эквипотенциальной плоскости приложенного внешнего консервативного силового поля. Пусть ось z направлена ​​вниз. В этом случае поле является гравитационным, поэтому Φ = — ρ f gz, где g — ускорение свободного падения, ρ f — массовая плотность жидкости. Приняв за ноль давление на поверхности, где z равно нулю, константа будет равна нулю, поэтому давление внутри жидкости, когда она подвержена гравитации, равно

п знак равно ρ ж грамм z . <\ displaystyle p = \ rho _ gz. \,>

Таким образом, давление увеличивается с глубиной под поверхностью жидкости, поскольку z обозначает расстояние от поверхности жидкости до нее. Любой объект с ненулевой вертикальной глубиной будет иметь разное давление сверху и снизу, причем давление снизу будет больше. Эта разница в давлении вызывает восходящую силу плавучести.

Сила плавучести, действующая на тело, теперь может быть легко вычислена, поскольку внутреннее давление жидкости известно. Сила, действующая на тело, может быть вычислена путем интегрирования тензора напряжений по поверхности тела, которая находится в контакте с жидкостью:

B знак равно ∮ σ d А . <\ displaystyle \ mathbf = \ oint \ sigma \, d \ mathbf .>

B знак равно ∫ div ⁡ σ d V знак равно — ∫ ж d V знак равно — ρ ж грамм ∫ d V знак равно — ρ ж грамм V <\ displaystyle \ mathbf = \ int \ operatorname

\ sigma \, dV = — \ int \ mathbf \, dV = — \ rho _ \ mathbf \ int \, dV = — \ rho _ \ mathbf V>

где V — мера объема, контактирующего с жидкостью, то есть объема погруженной части тела, поскольку жидкость не оказывает силы на ту часть тела, которая находится за ее пределами.

Величину выталкивающей силы можно немного больше оценить из следующего аргумента. Рассмотрим любой объект произвольной формы и объема V, окруженный жидкостью. Силы жидкость воздействует на объект в жидкости равна весу жидкости с объемом , равным , что объекта. Эта сила действует в направлении, противоположном гравитационной силе, то есть имеет величину:

B знак равно ρ ж V дисп грамм , <\ displaystyle B = \ rho _ V _ <\ text > \, g, \,>

где ρ f — плотность жидкости, V disp — объем перемещенного тела жидкости, а g — ускорение свободного падения в рассматриваемом месте.

Если этот объем жидкости заменить твердым телом точно такой же формы, сила, действующая на него, должна быть точно такой же, как указано выше. Другими словами, «сила плавучести» на погруженном теле направлена ​​в направлении, противоположном силе тяжести, и по величине равна

B знак равно ρ ж V грамм . <\ Displaystyle B = \ rho _ Vg. \,>

Равнодействующая сила на объекте должна быть равна нулю , если это будет ситуация жидкостных статики таким образом, что принцип Архимеда применим, и, таким образом , сумма выталкивающей силы и вес объекта

F сеть знак равно 0 знак равно м грамм — ρ ж V дисп грамм <\ displaystyle F _ <\ text > = 0 = mg- \ rho _ V _ <\ text > g \,>

Если плавучесть (не удерживаемого и не имеющего силы) объекта превышает его вес, он имеет тенденцию повышаться. Объект, вес которого превышает его плавучесть, имеет тенденцию тонуть. Расчет направленной вверх силы на погруженный объект в период его ускорения не может быть выполнен одним только принципом Архимеда; необходимо учитывать динамику объекта с учетом плавучести. Когда он полностью опускается на дно жидкости или поднимается на поверхность и оседает, принцип Архимеда можно применять отдельно. У плавающего объекта воду вытесняет только погруженный объем. Для затонувшего объекта весь объем вытесняет воду, и будет дополнительная сила реакции от твердого пола.

Следовательно, чтобы принцип Архимеда можно было использовать отдельно, рассматриваемый объект должен находиться в равновесии (сумма сил, действующих на объект, должна быть равна нулю);

м грамм знак равно ρ ж V дисп грамм , <\ Displaystyle мг = \ ро _ <е>V _ <\ текст > г, \,>

м знак равно ρ ж V дисп . <\ displaystyle m = \ rho _ V _ <\ text >. \,>

показывая, что глубина, на которую погружается плавающий объект, и объем жидкости, которую он вытеснит, не зависят от гравитационного поля независимо от географического положения.

( Примечание: если рассматриваемая жидкость представляет собой морскую воду , она не будет иметь одинаковой плотности ( ρ ) в каждом месте, поскольку плотность зависит от температуры и солености . По этой причине на корабле может отображаться линия Plimsoll .)

Может случиться так, что в игру вступят не только силы плавучести и гравитации. Это происходит в том случае, если объект удерживается или если объект опускается на твердый пол. Объект, который имеет тенденцию плавать, требует силы ограничения натяжения T, чтобы оставаться полностью погруженным в воду. Объект, который имеет тенденцию тонуть, в конечном итоге будет иметь нормальную силу ограничения N, приложенную к нему твердым полом. Сила ограничения может быть натяжением пружинных весов, измеряющих ее вес в жидкости, и именно так определяется кажущийся вес.

Если бы объект в противном случае плавал бы, напряжение, удерживающее его полностью погруженным, составляет:

Т знак равно ρ ж V грамм — м грамм . <\ Displaystyle T = \ rho _ Vg-mg. \,>

Когда тонущий предмет оседает на твердом полу, он испытывает нормальную силу :

N знак равно м грамм — ρ ж V грамм . <\ Displaystyle N = mg- \ rho _ Vg. \,>

Другая возможная формула для расчета плавучести объекта заключается в нахождении видимого веса этого конкретного объекта в воздухе (рассчитанного в Ньютонах) и видимого веса этого объекта в воде (в Ньютонах). Чтобы найти силу плавучести, действующую на объект в воздухе, используя эту конкретную информацию, применяется следующая формула:

Сила плавучести = вес объекта в пустом пространстве — вес объекта, погруженного в жидкость

Окончательный результат будет измеряться в Ньютонах.

Плотность воздуха очень мала по сравнению с большинством твердых тел и жидкостей. По этой причине вес объекта в воздухе примерно такой же, как его истинный вес в вакууме. Плавучестью воздуха для большинства объектов при измерении в воздухе пренебрегают, поскольку погрешность обычно незначительна (обычно менее 0,1%, за исключением объектов с очень низкой средней плотностью, таких как воздушный шар или легкая пена).

Упрощенная модель

Упрощенное объяснение интегрирования давления по площади контакта можно сформулировать следующим образом:

Рассмотрим куб, погруженный в жидкость с горизонтальной верхней поверхностью.

Стороны идентичны по площади и имеют одинаковое распределение по глубине, поэтому они также имеют одинаковое распределение давления и, следовательно, одинаковую общую силу, возникающую в результате гидростатического давления, приложенного перпендикулярно плоскости поверхности каждой стороны.

Читайте также:  Тесты по теме рыбалка

Есть две пары противоположных сторон, поэтому результирующие горизонтальные силы уравновешиваются в обоих ортогональных направлениях, и результирующая сила равна нулю.

Сила, направленная вверх на куб, — это давление на нижнюю поверхность, интегрированное по его площади. Поверхность находится на постоянной глубине, поэтому давление постоянно. Следовательно, интеграл давления по площади горизонтальной нижней поверхности куба представляет собой гидростатическое давление на этой глубине, умноженное на площадь нижней поверхности.

Точно так же направленная вниз сила на куб — это давление на верхнюю поверхность, интегрированное по всей его площади. Поверхность находится на постоянной глубине, поэтому давление постоянно. Следовательно, интеграл давления по площади горизонтальной верхней поверхности куба — это гидростатическое давление на этой глубине, умноженное на площадь верхней поверхности.

Поскольку это куб, верхняя и нижняя поверхности идентичны по форме и площади, а разница давлений между верхом и низом куба прямо пропорциональна разнице глубин, а результирующая разность сил точно равна весу куба. жидкость, которая занимала бы объем куба в его отсутствие.

Это означает, что результирующая направленная вверх сила на куб равна весу жидкости, которая поместилась бы в объем куба, а направленная вниз сила на куб — это его вес в отсутствие внешних сил.

Эта аналогия действительна для вариаций размера куба.

Если два куба размещены рядом друг с другом так, чтобы грань каждого из них соприкасалась, давления и результирующие силы на сторонах или их частях в контакте уравновешиваются и могут не приниматься во внимание, поскольку контактные поверхности равны по форме, размеру и распределению давления. следовательно, плавучесть двух соприкасающихся кубов равна сумме плавучести каждого куба. Эту аналогию можно распространить на произвольное количество кубиков.

Объект любой формы можно аппроксимировать как группу кубиков, контактирующих друг с другом, и по мере уменьшения размера куба точность аппроксимации увеличивается. Предельным случаем для бесконечно малых кубиков является точная эквивалентность.

Наклонные поверхности не отменяют аналогию, поскольку результирующая сила может быть разделена на ортогональные компоненты, и с каждой из них можно работать одинаково.

Статическая стабильность

Плавающий объект устойчив, если он стремится вернуться в положение равновесия после небольшого смещения. Например, плавающие объекты обычно будут иметь вертикальную устойчивость, как если бы объект слегка толкнул вниз, это создаст большую выталкивающую силу, которая, неуравновешенная силой веса, подтолкнет объект обратно вверх.

Остойчивость при вращении имеет большое значение для плавсредств. При небольшом угловом смещении судно может вернуться в исходное положение (стабильное), отойти от исходного положения (нестабильно) или остаться там, где оно находится (нейтральное).

Вращательная устойчивость зависит от относительных линий действия сил на объект. Вверх выталкивающая сила на объекте действует через центр плавучести, будучи центроидом смещенного объема жидкости. Весовая сила на объект действует через его центр тяжести . Плавучий объект будет устойчивым, если центр тяжести находится ниже центра плавучести, потому что любое угловое смещение создаст «восстанавливающий момент ».

Стабильность плавучего объекта на поверхности более сложна, и он может оставаться устойчивым, даже если центр тяжести находится выше центра плавучести, при условии, что при отклонении от положения равновесия центр плавучести перемещается дальше в ту же сторону. центр тяжести перемещается, обеспечивая положительный восстанавливающий момент. Если это происходит, говорят, что плавающий объект имеет положительную метацентрическую высоту . Эта ситуация обычно действительна для диапазона углов крена, за пределами которого центр плавучести не перемещается достаточно, чтобы обеспечить положительный восстанавливающий момент, и объект становится нестабильным. Можно переключаться с положительного на отрицательный или наоборот более одного раза во время нарушения кренения, и многие формы устойчивы в более чем одном положении.

Жидкости и объекты

Плотность атмосферы зависит от высоты. Когда дирижабль поднимается в атмосферу, его плавучесть уменьшается, так как плотность окружающего воздуха уменьшается. Напротив, когда подводная лодка выталкивает воду из своих резервуаров плавучести, она поднимается, потому что ее объем постоянен (объем воды, который она вытесняет, если она полностью погружена), в то время как ее масса уменьшается.

Сжимаемые объекты

Когда плавающий объект поднимается или опускается, внешние по отношению к нему силы изменяются, и, поскольку все объекты в той или иной степени сжимаемы, изменяется и объем объекта. Плавучесть зависит от объема, поэтому плавучесть объекта уменьшается, если он сжимается, и увеличивается, если он расширяется.

Если объект в равновесии имеет сжимаемость меньше, чем у окружающей жидкости, равновесие объекта стабильно, и он остается в состоянии покоя. Однако если его сжимаемость больше, тогда его равновесие неустойчиво , и оно поднимается и расширяется при малейшем возмущении вверх или опускается и сжимается при малейшем возмущении вниз.

Подводные лодки

Подводные лодки поднимаются и ныряют, заполняя большие балластные цистерны морской водой. Для погружения баки открываются, чтобы воздух выходил через верхнюю часть баков, а вода поступает снизу. Как только вес будет уравновешен так, что общая плотность подводной лодки будет равна плотности воды вокруг нее, она будет иметь нейтральную плавучесть и останется на этой глубине. Большинство военных подводных лодок имеют слегка отрицательную плавучесть и поддерживают глубину, используя «подъемную силу» стабилизаторов при поступательном движении.

Шарики

Высота, на которую поднимается воздушный шар, обычно стабильна. Когда воздушный шар поднимается, он имеет тенденцию увеличиваться в объеме с уменьшением атмосферного давления, но сам воздушный шар не расширяется так сильно, как воздух, по которому он движется. Средняя плотность воздушного шара уменьшается меньше, чем у окружающего воздуха. Уменьшается вес вытесняемого воздуха. Поднимающийся шар перестает подниматься, когда он и вытесненный воздух равны по весу. Точно так же тонущий воздушный шар имеет тенденцию перестать тонуть.

Дайверы

Подводные ныряльщики — типичный пример проблемы нестабильной плавучести из-за сжимаемости. Дайвер обычно носит защитный костюм, который использует заполненные газом пространства для изоляции, а также может носить компенсатор плавучести , который представляет собой мешок плавучести переменного объема, который надувается для увеличения плавучести и сдувается для уменьшения плавучести. Желательным условием обычно является нейтральная плавучесть, когда дайвер плавает в средней воде, и это состояние нестабильно, поэтому дайвер постоянно выполняет точную регулировку, контролируя объем легких, и должен регулировать содержимое компенсатора плавучести, если глубина меняется.

Плотность

Если вес объекта меньше веса вытесненной жидкости при полном погружении, тогда средняя плотность объекта меньше, чем у жидкости, и при полном погружении будет испытывать выталкивающую силу, превышающую его собственный вес. Если у жидкости есть поверхность, например вода в озере или море, объект будет плавать и осесть на уровне, на котором он вытесняет такой же вес жидкости, как и вес объекта. Если объект погружен в жидкость, например подводная лодка или воздушный шар, он будет иметь тенденцию подниматься. Если объект имеет ту же плотность, что и жидкость, то его плавучесть равна его весу. Он будет оставаться погруженным в жидкость, но не будет ни тонуть, ни плавать, хотя возмущение в любом направлении заставит его отодвинуться от своего положения. Объект с более высокой средней плотностью, чем жидкость, никогда не будет иметь большей плавучести, чем вес, и он утонет. Корабль будет плавать, даже если он может быть сделан из стали (которая намного плотнее воды), потому что в нем есть объем воздуха (который намного менее плотен, чем вода), и получившаяся форма имеет среднюю плотность меньше, чем у воды. вода.

Оцените статью
© 2023 Про рыбалку и охоту
Adblock
detector