Почему железные корабли не тонут? корабли не тонут?»

До первой половины XIX столетия единственным материалом для постройки судов было дерево - отличный судостроительный материал.

Во-первых, оно обладает естественной плавучестью (плотность менее 1,0 т/куб. метр), которая меньше плотности воды.

Во-вторых, оно легко поддается обработке, что значительно упрощает технологический процесс постройки судов.

В-третьих, дерево являлось и является одним из самых дешевых строительных материалов.

Основной недостаток этого материала - его короткомерность, т. е. относительно небольшие размеры по длине отдельных «штук», вследствие чего в конструкцию корпуса необходимо вводить большое количество креплений для соединения их между собой.

Существовавшие в прежние времена способы крепления деревянных частей при помощи деревянных нагелей, гвоздей и болтов не обеспечивали полной монолитности соединений (узлов), особенно при создании судов значительных размеров. Однако еще в XVIII в. корабельные леса в таких странах, как Англия, Франция, были почти полностью истреблены, и строевую древесину приходилось вывозить издалека, например из Новой Зеландии.

Кроме того, неуклонно возраставший объем грузоперевозок и военно-морское соперничество некоторых держав приводили к увеличению размеров судов, а следовательно, и усилий в их связях. Чтобы воспринять эти усилия, требовались сверхпрочные конструкции, которые невозможно было создать из дерева. Масса корпуса таких деревянных судов составляла почти 50 % водоизмещения, и они теряли свои преимущества в массе перед железными. Масса корпуса железных судов уже не превышала 30-35 % водоизмещения. На современных грузовых судах, в зависимости от их типа и размеров, она составляет 10-20%.

Безусловно, что одной из главных причин замены дерева железом стало применение на судах паровой машины, при работе которой крепление деревянных элементов набора из-за вибрации расшатывалось значительно быстрее, чем на парусных, что приводило к появлению водотечности и повреждениям корпусных конструкций. Попытки усилить корпус для предотвращения этих явлений приводили к дальнейшему его утяжелению.

Итак, недостаток в хорошем строительном материале - дереве - вынудил «владычицу морей», Англию, почти одновременно с введением паровой машины начать постройку судов из железа. В 1784 г. английский металлург Генри Корт получил патент на изготовление железных листов и фигурных полос путем прокатки их на вальцах. До этого листы и полосы изготовлялись ковкой с последующей обработкой гладильными молотами. Сначала изобретение Корта нашло применение при изготовлении паровых котлов, затем, с 1787 г., стали строить из железа баржи длиной около 20 м и грузоподъемностью 20 т для перевозки грузов по-каналам Англии. В 1818 г. в Англии строится каботажный парусник «Вулкан» из железа. (Отметим, однако, что первым судном из металла была карликовая подводная лодка «Тэртл», построенная в 1776 г. американцем Дэвидом Бушнеллом. Она имела медную обшивку на железных шпангоутах.)

Первый в мире железный пароход «Аароп Мэнби» грузоподъемностью 116 т (1821 г).

В 1822 г. первый железный пароход «Аарон Мэнби» длиной 36 м с машиной в 80 л. с. прошел вниз по Темзе от Лондона, пересек Ла-Манш и затем по Сене пришел в Париж. Его корпус был изготовлен из листов толщиной 6,3 мм, а изнутри обшит деревом для защиты груза и «успокоения» пассажиров. Это английское судно развивало скорость 8-9 уз.

В 1834 г. произошел перелом в отношении судостроителей к железу как к судостроительному материалу. Этому способствовал случай: во время шторма на мель село английское железное судно «Гарри Оуэн» и несколько деревянных судов. Большинство деревянных судов разбилось, а железное получило лишь незначительные повреждения. Это было убедительным и веским доказательством преимуществ железного судна! С этого времени железное судостроение получает признание и к середине XIX в. утверждается безоговорочно.

В 1837 г. англичане спустили на воду первый морской пароход из железа «Рейнбоу», который предназначался для эксплуатации между Лондоном и Антверпеном.

Элементы корпуса соединялись заклепками, которые были известны еще за тысячу лет до нашей эры. Заклепки в судостроении первыми начали применять норвежцы: в начале нашей эры они перешли на склепывание досок обшивки судна - прототипа знаменитого впоследствии дракара.

Военные моряки не спешили заказывать боевые корабли из железа, так как качество этого материала было еще довольно низким, корпуса из железа слабо противостояли артиллерийским снарядам и, кроме того, при взрыве снаряда железо давало много осколков.

Начало использованию железа в военном кораблестроении относится к 1839 г., когда в Англии был спущен на воду пароход «Немезис» водоизмещением 660 т, вооруженный двумя поворотными 32-фунтовыми орудиями, пятью 6-фунтовыми пушками и ракетным станком! (Отметим попутно, что в 1806 г. Булонь подверглась налету ракетами военного инженера У. Конгрева с английских кораблей, а в 1807 г. ракетному обстрелу подвергся Копенгаген. Это были первые боевые крещения корабельных ракет. В первом случае было выпущено 40 тыс., а во втором - 25 тыс. ракет). Он известен как первый из железных кораблей, принявших участие в боях.

В 1840 г. в Англии были построены из железа три небольшие колесные канонерские лодки водоизмещением 400 т. В США в 1842, 1843 и 1844 гг. строят железные корабли «Мичиган», «Уотер Уитч» и «Аллегени». В 1845 г. в Англии строятся три железных пароходофрегата «Биркенхед», «Мегара» и «Симун» водоизмещением почти по 2000 т. Именно с борта колесного «Биркенхеда» (переоборудованного в войсковой транспорт) при аварии в 1852 г. прозвучала команда, вошедшая в неписаный морской кодекс чести: «Женщины и дети вперед!» Из 638 человек погибло 454, но среди них не было ни одной женщины, ни одного ребенка!

Следует упомянуть, что переход от дерева к железу поставил перед моряками и судостроителями целый ряд новых сложных задач: надо было исключить влияние судового железа на стрелку магнитного компаса, разработать способ борьбы с ржавлением и обрастанием корпуса судна и др.

Вершиной железного судостроения считается спущенный на воду в 1858 г. в Англии пароход «Грейт Истерн» водоизмещением 32,7 тыс. т и длиной 210,4 м, о котором шла речь в главе «Гиганты из гигантов». Тем самым был побит рекорд длины судна, принадлежащий китайским судостроителям (адмиральской джонки «Чжэн Хэ» времен династии Мин), продержавшийся около четырех с половиной веков.

Через 20 лет после выхода в море «Грейт Истерна», в 1880 г., итальянские кораблестроители спустили на воду наибольший боевой корабль из железа - бронепалубный шеститрубный крейсер «Италия» водоизмещением 15,2 тыс. т. Крейсер был вооружен четырьмя 431-мм орудиями в брустверных установках из брони компаунд (сталежелезной) и 152-мм орудиями; скорость хода - 18 уз.

Применение железа позволило значительно увеличить размеры кораблей: «Грейт Истерн» почти в 4 раза превосходит по водоизмещению деревянный гигант - шхуну «Вайоминг», а бронепалубный крейсер «Италия» - в 2,5 раза линейный корабль «Мальборо», о котором будет сказано чуть ниже. По длине «Грейт Истерн» почти в 1,3 раза превзошел деревянную джонку «Чжэн Хэ».

Темпы вытеснения дерева металлом все возрастали. Так, в 1895 г. тоннаж металлических (из железа и стали) плавающих морских судов мирового флота сравнялся с.деревянным; в 1936 г. доля деревянных судов едва превышала 10%. Появившиеся ранее композитные суда (металлический набор и деревянная обшивка) не достигли больших размеров. Наиболее известные из них - это упоминавшиеся выше английские клиперы «Ариэль», «Катти Сарк» и королевская яхта «Виктория и Альберт». Эта яхта, построенная в Англии в 1899 г., имела водоизмещение около 5 тыс. т, длину 116 м и была оборудована паровыми машинами мощностью 12 тыс. л. с, сообщавшими ей скорость около 20 уз.

Бронепалубный железный крейсер «Италия» водоизмещением 15,2 тыс. т (1880 г.)

«Виктория и Альберт» как имевшая деревянную трехслойную обшивку, крепящуюся к стальным шпангоутам с помощью болтов, может рассматриваться как крупнейшее в мире судно с болтовым креплением основных связей.

Композитные суда строят и в наше время. В основном это боевые катера и тральщики водоизмещением до 500 т. На них обычно используется многослойная деревянная обшивка, закрепляемая с помощью болтов из нержавеющей стали на шпангоутах из алюминиевого сплава.

Интересно, что в 1958 г. железу - этому неутомимому труженику - был поставлен в Брюсселе памятник в виде необычного здания Атомиума. Девять громадных, диаметром 18 м, металлических шаров как бы висят в воздухе, восемь - по вершинам куба, девятый - в центре. Это - модель кристаллической решетки железа, увеличенная в 165 млрд. раз!

А что же деревянные суда? В 1857 г., т. е. в то же время, что и «Грейт Истерн», в США был построен последний крупный деревянный пароход для Атлантики под названием «Адриатик», длина которого составляла 107,2 м. Это судно, рассчитанное на 376 пассажиров и 800 т груза, имело скорость 13 уз. Запас топлива определялся весьма внушительной цифрой - 1,2 тыс. т.

В те же годы по реке Гудзон плавал деревянный колесный пароход «Нью Уорлд» длиной 113 м. Его не смог превзойти по длине упомянутый ранее американский деревянный барк «Роанок» постройки 1892 г.; этот пароход вошел в историю как самое длинное деревянное транспортное судно с механическим двигателем.

Крупнейшим цельнодеревянным безбронным кораблем считается английский трехдечный 131-пушечный парусно-винтовой линейный корабль «Мальборо» водоизмещением 6,1 тыс. т длиной 74,7м. Он был построен в 1858г., а в 1924г. перевернулся и затонул во время буксировки на сломовую верфь.

Если в гражданском судостроении крупные деревянные морские суда уже не строятся, то в военном кораблестроении от древесины не отказываются. В частности, в 1941 -1943 гг. в США были построены спасательные суда типа БАРС. Водоизмещение этих дизель-электрических кораблей мощностью 1800 л. с. составляло 1,3 тыс. т. В настоящее время для военно-морских сил США строятся тральщики - искатели мин типа «Авенджер» водоизмещением 1,1 тыс. т, длиной 68,3 м. Шпангоуты этих кораблей клееные, слоистой конструкции, выполнены из дуба.

Помогал проводить Денис Зеленов. 10 лет.

Летом Денис купался на Волго — Донском канале. Смотрел на большие корабли, как они идут по каналу, поднимаются и опускаются в камере шлюза. И задумался: что позволяет им не только держаться на воде, но и перевозить тяжелые грузы?

Почему корабли могут ходить по воде?

Причин несколько.

1. Плотность

Опыт 1

Все мы знаем, что если бросить в воду деревянную доску, то она будет лежать на ее поверхности, а вот металлический лист такого же размера сразу начинает тонуть.

Почему так происходит? Это определяется не весом предмета, а его плотностью . Плотность – это масса вещества, заключенная в определенном объеме.

Опыт 2

Мы взяли кубики одинакового размера 70×40х50 мм из разного материала — металл, дерево, камень и пенопласт и взвесили их. И увидели, что кубики имеют разный вес, а следовательно, и разную плотность.

Вес кубика из:

• камня –264гр.,
• пенопласта — 3 гр.,
• металла — 1020 гр.,
• дерева – 70 гр.

Отсюда сделали вывод, что из кубиков самый плотный материал – это металл, затем камень, дерево и пенопласт.

Опыт 3

А что произойдет, если эти кубики опустить в воду? Как видно из опыта камень и металл утонули – их плотность больше плотности воды, а пенопласт и дерево нет – их плотность меньше плотности воды. Значит, любой предмет будет плавать, если его плотность меньше плотности воды.

Следовательно, корабль, чтоб он держался на воде, надо сделать так, чтобы его плотность была меньше плотности воды. Предположим, делать его из такого материала, который имеет плотность меньше плотности воды и не тонет – например, из дерева. Из истории мы знаем, что человек именно из дерева делал вначале плоты, а затем лодки, используя свойство дерева –плавучесть.

Сегодня мы видим 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. Потому-то и не тонет тяжелый корабль. Подтвердим это опытом.

Опыт 4

Опустим в воду плоский лист металла – он сразу же тонет, а любая посудина с бортами остается на плаву — в ней образуется запас плавучести. Туда даже можно положить груз.

Так же действует спасательные средства: жилет или круг, одетый на человека. С их помощью удается удержаться на плаву до прибытия спасателей.

2. Выталкивающая сила

Кроме того на погруженное в воду тело действует выталкивающая сила. На рисунке мы видим, что на тело со всех сторон действуют силы давления:

Силы, действующие в горизонтальном направлении, т.е. на борта судна, взаимно компенсируют друг друга. Давление же на нижнюю поверхность - на днище, превышает давление сверху. Вследствие этого возникает направленная вверх выталкивающая сила.

Это хорошо видно из следующего опыта.

Опыта 5

Мячик с воздухом внутри, погруженный в воду, с силой вылетает из нее вверх.

Это действует на мяч выталкивающая сила (сила Архимеда). Она то и удерживает корабль на плаву и позволяет кораблю плавать.

1-Силы поддержания; 2-Давление воды на борт судна

Отчего же зависит действие выталкивающей силы?

Первое – это от объема корабля и второе — от плотности воды, в которой корабль плавает. Эта сила тем больше, чем больше объем погруженного тела. Проверим это опытом.

Опыт 6

Положим на плавающую доску небольшой груз –они тонут. А вот объем надувной лодки значительно больше, и она может выдержать даже несколько человек.

Второе — выталкивающая сила меняется с увеличением плотности воды. Плотность воды можно увеличить, если ее сильно-сильно посолить.

Докажем это следующим опытом.

Начало и успех эры стального су­достроения (125-летие постройки колес­ного парохода «Бенши»). На втором году Гражданской войны в США в ми­ровом судостроении произошло два со­бытия большой важности.

Во-первых, в ответ на постройку южанами первого в мире казематного парового броненосца «Виргиния» северяне создали не имев­ший аналогов в истории судостроения башенный броненосец «Монитор». Бой между этими броненосцами состоялся в том же 1862 г. Во-вторых, в Англии был построен небольшой колесный па­роход «Бенши», который использовался в качестве блокадопрорывателя, то есть судна для доставки английского вооружения южанам и вывоза хлопка через морскую блокаду северян. Его появле­ние не произвело на судостроительные и морские круги такого впечатления, как изобретение монитора и вращаю­щейся орудийной башни, однако оно имело значительно более важные по­следствия для дальнейшего развития су­достроения, так как корпус «Бенши» был изготовлен из мягкой стали.
Итак, стальной колесный пароход «Бенши», построенный в Ливерпуле, валовой вместимостью всего 325 рег. т открыл эру стального судостроения.

Применение стали дало широкий про­стор развитию судостроения в направ­лении увеличения размеров судов и их быстроходности.
Как известно, самыми крупными из созданных движущихся объектов явля­ются транспортные суда. Так, стальной танкер японской по­стройки, 1980 г., имеет водоизмещение около 640 тыс. т (валовая вместимость 238,6 тыс. рег. т). Рекорд скорости хо­да водоизмещающего парового судна также принадлежит кораблю из стали французскому лидеру миноносцев «Террибль», развившему в 1936 г. скорость 45,2 уз.
После парохода «Бенши» в 1863 г. в Англии были спущены на воду два однотипных парусника - «Фомбей» и «Олтэ»- длиной 63,9 м и валовой вместимостыо 1283 рег. т каждый. Они бы­ли построены компанией «Джонс, Куигинс энд компани». Через год тоже в Англии, в Гулле, спустили на воду не­большой пароход «Эни» валовой вме­стимостью около 430 рег. т. Это был первый стальной пароход с гребным винтом. Через три года он получил класс Регистра Ллойда с отметками «стальное, экспериментальное».

Посыльное судно "Аиерис" - первый стальной боевой надводный корабль. (Англия, 1877 г.)

Второй после Англии страной, при­ступившей к стальному судостроению, была Швеция. Здесь в 1871 г, построили небольшой пароход «Гурли» длиной 20 м, который плавает до сих пор (в 1964 г. переоборудован в теплоход). Сейчас этот самый старый ветеран стального судостроения используется в качестве плавучей библиотеки.
Швеция явилась пионером в ис­пользовании мягкой стали в подводном кораблестроении. Орудийный фабрикант и изобретатель Торстен Норденфельт построил в 1885 г. подводную лодку № 1 водоизмещением 60 т, длиной 19,5 м, применив для корпуса листовую сталь толщиной 9,5 мм. Впервые на лодке был установлен трубчатый торпедный аппа­рат и она имела единый двигатель для надводного и подводного хода - паро­вую машину с баком для горячей воды.

Первые надводные боевые корабли из стали были созданы в Англии. В 1877 и 1878 гг. вступили в строй почти однотипные посыльные суда «Аиерис» и «Меркьюри» водоизмещением 3,7 тыс. т. Это были весьма быстроходные кораб­ли, развивавшие скорость около 18 уз.
После Англии и Швеции сталь как конструкционный материал начала ис­пользовать Россия. В 1878 г. на разных русских заводах было построено не­сколько десятков миноносок водоизме­щением 20-30 т со стальными корпусами.
Франция сразу же перешла к по­стройке крупных боевых кораблей из стали. В 1876 г. в Лорьяне был закон­чен спроектированный де Бюсси броне­носец « Редутабль» водоизмещением 9,4 тыс. т с корпусом из стали заводов Крезо и железной броней.

Первый подводный корабль из стали - лодка Норденфельта №1 (Швеция, 1885 г.)

Пятой страной, начавшей стальное судостроение, стала Германия. В конце 1870-х годов на верфях компаний «Шихау» и «Вулкан» было построено не­сколько стальных миноносок водоизме­щением 20 и 33 т, в том числе и для России.
Переход от железа к стали в судо­строении стал возможен только после создания в 1856 г. английским метал­лургом Генри Бессемером конверторно­го способа переделки в литую сталь жидкого доменного чугуна посредством продувки его воздухом без расхода го­рючего. Через восемь лет, в 1864 г., французы Эмиль и Пьер Мартены по­лучили мягкую сталь путем плавления чугуна вместе со стальным ломом в ре­генеративных печах немца Фридриха Сименса. Сименс-мартеновский способ успешно конкурировал тогда с конвер­торным. Его преимущество состояло в возможности получать качественную сталь, используя стальной лом.
Именно сталь, превосходившая по своим механическим характеристикам железо, позволила побить все предыду­щие рекорды судостроения и открыть дорогу к постройке очень крупных су­дов. Так, гигант железного судостроения «Грейт истерн» водоизмещением 32,7 тыс. т и длиной 210,4 м, спущенный на воду в 1858 г., был превзойден по длине через 41 год, а по водоизмеще­нию через 44 года. В 1900 г. в Англии закончили постройку стального пасса­жирского парохода «Оушеник» длиной 211,7 м, а в 1903 г. вышел в рейс пас­сажирский лайнер «Селтик» водоизме­щением 37,9 тыс. т, также построенный в Англии.
Крупнейшими боевыми кораблями из мягкой стали остались четыре кон­войных авианосца типа «Сенгэмон», США. Полное водоизмещение этих ко­раблей достигало 24,2 тыс. т. Все они были переоборудованы на трех амери­канских верфях из танкеров типа «Т-3» в 1942 г.
Вершиной роста величины судов из малоуглеродистой стали являются три танкера типа «Глобтик Токио» водоиз­мещением 550,9 тыс. т и длиной 378,8м. имеет дедвейт 483,7 тыс. т (был сдан в феврале 1973 г.), «Глобтик Лондон»-483,9тыс.т (октябрь 1973 г.) и «Ниссей мару»- 484,4 тыс. т (июнь 1975 г.)- Все эти суда были построены на верфи в Куре крупной японской компанией.

Танкер "Глобтик Токио"

На заметку: Одна из возможных причин гибели Титаника - некачественная сталь.

В сентябре 1985 года впервые "Титаник" был обследован глубоководным батискафом. В докладе исследовательской группы Стива Бласко был сделан анализ стали корпуса. Дело в том, что пробоину длиной в 90 метров найти не удалось. Вместо этого, были обнаружены трещины по линии заклёпок. Обнаружена была пробоина (возможно от льда), но величина её не превышала полквадратных метра. В ходе изучения техничекой документации, выяснилось, что сталь проверялась лишь на статическую твёрдость, способность выдерживать длительные статическое напряжение. Способность к ударной вязкости, динамическую твёрдость никто не брал во внимание. Качество стали обшивки "Титаника" оказалость невысоким даже для того времени. Это была чрезмерно хрупкая, высокоуглеродистая сталь с большим добавлением серы. Борт из такой обшивки не мог получить даже вмятину, он просто раскалывался, как стекло. Таким образом, при ударе об айсберг обшивка "Титаника" лопнула по линии заклёпок, часть заклёпок (вследствии всё того же качества стали) раскололась или была срезана, и вода начала поступать внутрь корпуса судна буквально отовсюду. А так как вследствии столновения возник момент скручивания корпуса, то швы и заклёпки наверняка потекли и с другого борта. Вот почему "Титаник" тонул на ровном киле. Обследования показали, что суммарная площадь (видимых) трещин составляет не более одного (!) квадратного метра. Но старые моряки знают, что нет тяжелее ситуации, чем та, когда начинают сочиться ("плакать") швы и заклёпки.
И если бы "Титаник" налетел на увесистое плавающее бревно или притопленное судно, то исход мог быть не менее печален. Основной вывод исследовательской группы был ошеломляющим: "Титаник" погиб из-за технологических упущений сталелитейщиков. Вывод о трещинах в обшивке, как оказалось, ещё был сделан на заводе, построившем корабль. Но узнай люди о том, что "Титаник" погубила некачественная сталь, компания "Уайт Стар Лайн" мнгновенно превратилась бы в пыль. Под страхом смерти она хранила эту тайну.

города Новосибирска«Кадетская школа- интернат

«Сибирский Кадетский Корпус»

Исследовательская работа по теме

«Почему железные

корабли не тонут?»

Выполнил: ученик 4 «Б» класса
МБОУ КШИ «СКК»
ЕрощенкоАлександр ПетровичРуководитель: Бандурко Наталья Владимировна, учитель первой категории

2016-2017 учебный год

СОДЕРЖАНИЕ

I .Введение……………………………………………………………...

II. Основная часть………………………………………………….…….

II. 1.Из истории кораблестроения……………………..…………………………..............

II. 2. Строение корабля………………………………………………….

III. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………….

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………............

V. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………....

VI .ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………….

Введение

Я учусь в Кадетском корпусе и в будущем мечтаю стать капитаном корабля. Сраннего детства меня интересовал вопрос:-Как так? Бросишь в воду камень,он сразу же начинает тонуть, а большие многотонные корабли держатся на плаву и не тонут. Я решил найти объяснение этого вопроса с помощью познавательной литературы, интернет – ресурсов и опытов.

В моей работе «Почему железные корабли не тонут?» представлены исторические сведения о кораблестроении,об устройстве кораблей. Описание опытов.

Цель моего исследования: выяснить, почему железные корабли не тонут.

Задачи:

1. Собрать информацию о причинах, по которым корабли держатся на плаву.

2. Собрать и проанализировать информацию о плавучести тел.

3 .Провести опыты, позволяющие выяснить условия, при которых тела плавают в воде.

4. Сделать выводы, выполнить презентацию, представить свою работу одноклассникам.

Гипотезы:

1 . А что если корабли не тонут из – за своей формы?

2 . Стальные корабли не тонут, потому что они легче воды, так как в них есть воздух.

Объект исследования: причины плавания кораблей.

Предмет исследования: изучение взаимодействия жидкости и предметов, помещённых в неё.

Методы исследования:

Анализ литературы, Интернет – ресурсов и других источников;

Проведение опытов

Практическая значимость : не всегда можно найти ответ на поставленный вопрос в учебнике. Появляется потребность получить этот ответ из жизненного опыта, наблюдений за окружающей действительностью, из результатов собственных экспериментов, которые позволяют расширить знания по данной теме, готовить и самостоятельно демонстрировать опыты, объяснять их результаты. Данная работа дает возможность сформировать представление об архимедовой силе, продолжить формирование умений устанавливать причинно-следственные связи между фактами, явлениями и причинами, также результаты исследования могут быть использованы на уроках окружающего мира, при проведении классных часов, внеклассных мероприятий.

Проблема исследования: почему же такие огромные и тяжёлые корабли не тонут? Что позволяет им не только держаться на воде, но и перевозить тяжёлые грузы?

II. Основная часть

II.1. Из истории кораблестроения

Люди с давних времён хотели научиться плавать. Первыми плавательными средствами были связанные брёвна, плоты и челноки, выдолбленные из брёвен. Постепенно плавательные средства улучшались.

Существует финикийская легенда о первом мореходе. Им был тирийский дровосек Ус. Однажды Ус настолько увлекся работой, что не заметил, как лес загорелся и он оказался в огненном полукольце. Пожар был сильный, так что пробиться сквозь него было невозможно. Что делать: утонуть в море или сгореть заживо? Ус выбрал первое: он срубил высокий кедр, очистил его от веток, столкнул на воду и устремился на нем в море.Так был найден способ преодолевать моря и океаны. Не исключено, что бревно или, скорее всего, несколько бревен, скрепленных между собой (плот), и были «первым плавающим кораблем». Во всяком случае, плот был известен всем народам и сохранил свою популярность и в эпоху весел, и в наше время.

Плот - самое надежное плавучее средство передвижения. Он не может утонуть, даже если бы пытался. Но у плота есть и недостатки: он малоскоростной и плохо управляемый, не спасает от непогоды. И люди обращаются к другому древнейшему плавучему средству - лодке.

Человек быстро понял, что для мореходства годятся всевозможные материалы, и начал изобретать самые разнообразные плавательные средства. Долгое время именно судостроение, прошедшее путь от примитивных плотов и долбленых пирог до великолепных клиперов, было ведущей силой технического прогресса, а нужды навигации направляли развитие науки - астрономии, математики, механики. В 19 веке паровые двигатели заменили парус, а вместо дерева начали использовать сталь. В настоящее время корабли представляют собой огромные лайнеры и авианосцы, которые бороздят просторы мирового океана и могут месяцами не заходить в порт.

II.2. Строение корабля

У каждого корабля своё предназначение, но у любого судна есть основные части: корпус корабля, нос, корма. Корабль имеет продолговатую форму, чем-то напоминающую глубокую тарелку. Палубы на корабле закрывают его как крышки. Также, я узнал, что на корабль наносится специальная линия (ватерлиния – контрольная отметка, до которой можно загружать судно). Если она видна над поверхностью воды, то беспокоиться не стоит. Если линия скрылась под водой - вероятность его затопления возрастает.К какому бы виду или классу не относилось плавательныесредство, ему присущи общие элементы конструкции. В первую очередь, конечно, корпус, на котором установлены надстройки различного назначения, мачты и рубки. Важным элементом всех судов являются двигатели и движители, в общем, силовые установки. Для жизнедеятельности плавательныесредства имеют значение устройства, системы, электрооборудование, трубопроводы и оборудование помещений.

Носом называется передняя, кормой – задняя оконечности корпуса, его боковые поверхности – бортами . Правый борт по ходу движения моряки называют штирбортом , левый – бакбортом .

Нос корабля Корма

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.

Палуба Трюм

Твиндек Трюм

Тип судна обуславливает и форму корпуса, и его размеры. Корпус корабля состоит из набора и обшивки. Переборки и палубы – это элементы, присущие определенным типам судов. Обшивка может быть изготовлена из дерева, как в древности и сегодня, пластмасс, сваренных между собой или склепанных стальных листов или даже железобетона. С внутренней стороны для поддержания прочности и формы корпуса обшивка и палуба подкреплены набором жестко скрепленных между собой балок, деревянных или стальных, которые располагаются в поперечном и продольном направлениях. В оконечностях корпус чаще всего заканчивается прочными балками: в корме - ахтерштевнем , а в носу - форштевнем . В зависимости от типа судна обводы носовой части могут быть разными. От них зависит уменьшение сопротивления движению судна, обеспечение маневренности и мореходных качеств.Подводный нос корабля уменьшает сопротивление воды, а значит, увеличивается скорость судна, и уменьшается расход топлива. А на ледоколах форштевень сильно наклонен вперед, за счет чего судно наползает на лед и разрушает его своей массой.

Строение корабля – не только корпус и надстройки, это еще и судовые устройства, специальное оборудование и палубные механизмы, обеспечивающие эксплуатацию судна. Без рулевого или якорного устройства не представляют корабль даже люди, далекие от кораблестроения. А еще на каждом судне есть буксирное, швартовое, шлюпочное, грузовое устройства. Все они приводятся в действие и обслуживаются палубными вспомогательными механизмами, к которым относятся рулевые машины, буксирные, грузовые и шлюпочные лебедки, насосы и многое другое. Судовые системы – это многие километры трубопроводов с насосами, приборами и аппаратами, при помощи которых откачивается вода из трюмов или стоки, подается питьевая вода или пена при пожаре, обеспечивается отопление, кондиционирование и вентиляция. Механизмы машинного отделения обслуживаются топливной системой для питания двигателей, воздушной для подачи сжатого воздуха, охлаждения двигателей. С помощью электрооборудования обеспечивается освещение на судне и работа механизмов и устройств, которые питаются от судовой электростанции.

Изучив данную информацию, мне по прежнему осталось непонятно – почему под водой мы можем поднять с легкостьюкамень, который с трудом поднимаем в воздухе. Если погрузить пробку подводу и выпустить её из рук, то она всплывёт. Когда мы плаваем в воде нашетело выталкивает на поверхность какие-то силы. Как можно объяснить этиявления? Почему такие большие корабли, сделанные из металла, перевозяттяжелые грузы, плавают и не тонут? Для выяснения этих вопросов я провел опыты, описанные в практической части.

Практическая часть

Опыт № 1 «Плавучесть разных материалов»

Определяем плотность.

Опыт 1. Все мы знаем, что, если бросить в воду деревянную доску, то она будет лежать на ее поверхности, а вот металлический лист такого же размера сразу начинает тонуть. Почему так происходит? Это определяется не весом предмета, а его плотностью. Плотность – это масса вещества, заключенная в определенном объеме.

Опыт 2. А, что произойдет, если кубики опустить в воду? Как видно из опыта камень и металл утонули – их плотность больше плотности воды, а пенопласт и дерево нет – их плотность меньше плотности воды. Значит, любой предмет будет плавать, если его плотность меньше плотности воды.

Следовательно, корабль, чтоб он держался на воде, надо сделать так, чтобы его плотность была меньше плотности воды. Предположим, делать его из такого материала, который имеет плотность меньше плотности воды и не тонет – например, из дерева. Из истории мы знаем, что человек именно из дерева делал вначале плоты, а затем лодки, используя свойство дерева–плавучесть. Сегодня мы видим 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. Потому-то и не тонет тяжелый корабль. Подтвердим это опытом.

Опыт 3. Мы взяли кубики одинакового размера 70×40х50 мм из разного материала - металл, дерево, камень и пенопласт и взвесили их. И увидели, что кубики имеют разный вес, а следовательно, и разную плотность. Вес кубика из: камня –264г, пенопласта - 3 г, металла - 1020 г, дерева – 70 г.

Отсюда сделали вывод, что из кубиков самый плотный материал – это металл, затем камень, дерево и пенопласт.

Опыт 4. Опустим в воду плоский лист металла – он сразу же тонет, а любая посудина с бортами остается на плаву - в ней образуется запас плавучести. Туда даже можно положить груз. Так же действует спасательные средства: жилет или круг, одетый на человека. С их помощью удается удержаться на плаву до прибытия спасателей.

Выталкивающая сила

Кроме того на погруженное в воду тело действует выталкивающая сила. На рисунке мы видим, что на тело со всех сторон действуют силы давления.

Опыт 5. Мячик с воздухом внутри, погруженный в воду, с силой вылетает из нее вверх. Это действует на мяч выталкивающая сила (сила Архимеда). Она то и удерживает корабль на плаву и позволяет кораблю плавать.

1-Силы поддержания; 2-Давление воды на борт судна. Отчего же зависит действие выталкивающей силы? Первое – это от объема корабля и второе - от плотности воды, в которой корабль плавает. Эта сила тем больше, чем больше объем погруженного тела. Проверим это опытом.

Опыт 6 . Положим на плавающую доску небольшой груз –они тонут. А вот объем надувной лодки значительно больше, и она может выдержать даже несколько человек. Второе - выталкивающая сила меняется с увеличением плотности воды. Плотность воды можно увеличить, если ее сильно-сильно посолить. Докажем это следующим опытом.

Опыт 7. Мы залили шарики желтый и оранжевый в соленую воду и опустили их в пресную воду аквариума – они утонули. А зеленый и синий шарики с пресной водой – остаются наплаву. Следовательно, плотность соленой воды увеличилась.

Опыт 8. Опустим картофелину в емкость с солений водой – она остается на плаву. Затем опустим картофелину в емкость с пресной водой –она утонула.

Из проведенного опыта видно, что в соленой воде на плаву удерживаются те предметы, которые прежде тонули.

На основании проведенного исследования можно сделать выводы о том, что железные корабли не тонут и плавают потому, что :

1. Корабль обладает достаточным запасом плавучести.

2 .На корабль действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной кораблем. Согласно выводам Архимеда на всякое тело, погружённое в жидкость, постоянно действует выталкивающая сила и величина её равна весу вытесненной этим телом воды. Если эта архимедова сила больше или равна весу тела, то оно не утонет. Корабли не тонут именно по этой причине. Нетрудно догадаться, что тело большого размера (объёма) вытеснит значительно больше воды, чем маленькое тело одинакового с ним веса и если утюг «раскатать» в достаточно тонкий лист фольги, то, аккуратно опущенный на поверхность воды, он будет на ней держаться. Железные суда проектируют и строят с таким расчётом, чтобы при погружении они вытесняли огромное количество воды, вес которой равен их весу в загруженном состоянии (это называется водоизмещением корабля) . В этом случае на них будет действовать выталкивающая архимедова сила соответствующей величины. Вот одна из причин, почему корабли не тонут. Можно объяснить, почему корабли не тонут, немного по-другому: тела, плотность которых меньше плотности воды, свободно плавают по её поверхности. Корабль внутри имеет множество пустых, наполненных воздухом помещений и средняя его плотность значительно меньше плотности воды. Поэтому корабли не тонут.

III. Заключение

Из литературы и Интернет- источников я узнал много интересного о кораблях и их способности держаться на поверхности воды.В ходе своего исследования я выяснил, что ошибался, когда думал, что в кораблестроении используются специальные лёгкие материалы. Но мои предположения о том, что стальные корабли не тонут, потому что имеют особую форму, оказались верны.Ещё я выяснил, что широкие корабли с высокими бортами вытесняют огромный объём воды, а чем больше объём воды, тем больше её отталкивающая сила. Это закон, который сформулировал древнегреческий учёный Архимед. Именно эта сила позволяет кораблям держаться на поверхности воды и перевозить многотонные грузы.

Список используемой литературы

Большая иллюстрированная энциклопедия школьника М. «МАХАОН», 2003 – 51 с.

А. Дитрих, Г. Юрмин, Р. Кошурникова «Почемучка» М. «Педагогика», 1991 – 160-164 с.

Л.А. Горев "Занимательные опыты по физике" М. Просвещение, 1985– 27-31.

Сахарнов С. В. Плывут по морям корабли [Текст] / С. В. Сахарнов, К. Д. Арон // «Едем, плаваем, летаем». – Москва: «Детская литература», 1993. – С. 7-36.

Приложение1

Легенда об Архимеде

Сила тяжести, действующее на тело, всегда направлена вниз и обусловлена

притяжением Земли. Однако на тело, погруженное в жидкую или

газообразную среду, действует еще какая–то сила, направленная вверх,

против силы тяжести. Эта сила называется выталкивающей силой Архимеда

– по имени древнегреческого учёного Архимеда, открывшего закон

плавающих тел. Этот закон гласит, что на тело, погруженное в жидкость,

действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим

телом. Согласно легенде, Гиерон, тиран Сиракуз, поручил Архимеду

выяснить, сделана ли его корона целиком из золота или же в нее подмешано

серебро. Эта задача занимала Архимеда довольно долго, пока не помог

случай. Однажды, принимая ванну, Архимед заметил, что чем больше он

погружается в воду, тем больше воды выливается из ванны. Он понял, что

это явление даст ему ключ к разгадке задачи, в восторге выскочил из ванны и

побежал по городу, восклицая: «Эврика, эврика!» (Нашёл, нашёл!). Для того,

чтобы раскрыть мошенничество с короной, Архимед применил следующий

метод: он опустил в сосуд, наполненный водой, золотой слиток того же веса,

что и корона, а потом собрал и взвесил вылившуюся воду. Потом он опустил

в сосуд слиток серебра того же веса, что и корона и нашёл, что воды

вылилось больше. Это объясняется тем, что при одинаковом весе объём

серебра превышает объём золота. Повторив опыт с короной вместо слитков,

Архимед получил результат, лежащий где–то посередине между

результатами двух предыдущих опытов.

После этого он заключил, что корона сделана не из чистого золота. Таким образом, Архимед заложил основы гидростатики - одного из разделов механики.

Приложение 2

Опыт №1.

Опыт№2.

Опыт№3.

Опыт№ 4 .

Опыт №5.

Опыт№6.

Опыт№7.

«Le Redoutable» - стальной броненосец, сочетавший в конструкции барбетные установки главного калибра и центральную казематную батарею. Корабль был построен по программе 1872 года и стал первым французским океанским броненосцем, заложенным после поражения Франции в войне с Пруссией 1870 - 1871 года.

Этот проект мощного, хорошо вооруженного, и адекватно скомпонованного броненосца с хорошей остойчивостью и высокой мореходностью оказал сильное влияние на мировое кораблестроение.
Ромбическое расположение барбетных орудий на Le Redoutable в дальнейшем стало краеугольным камнем французских дизайнов до конца XIX века. Удачный, вобравший в себя много нового броненосец, способный как к обороне побережья, так и к нападению, получил развитие в последующих проектах французских кораблей.

После проведения испытаний на ход под парусами 24 января 1879 года Le Redoutable вернулся на якорную стоянку на внешнюю гавань Лорьяна. Через месяц броненосец отправился в Тулон под парусами и парами в 20 топках. Через три дня пути произошла поломка рулевой машины, что вынудило перейти на ручное управление с помощью кормового штурвала. С этой неисправностью корабль прибыл в Тулон 4 марта 1880 года.
Броненосец снялся с якоря 13 апреля 1880 года и вместе с эскадрой, в составе которой находились броненосцы Richelieu (рус. «Ришелье»), Trident (рус. «Тридент»), броненосные фрегаты La Couronne (рус. «Куронн»), Revanche (рус. «Реванш») и Savoie (рус. «Савуа») вышел на артиллерийские учения. Учения продолжались до 26 апреля. В начале мая корабль из Тулона отправился с представительским визитом в Марсель, Ла-Сьоту и на Йерские острова.

7 июля Le Redoutable вышел в плавание для сравнения мореходных качеств эскадры, пройдя через Гибралтарский пролив, корабли 17 июля прибыли в Брест, где оставались до 24 августа. Перед окончанием плавания броненосец совершил короткие выходы к Киберону и Шербуру. Вернувшись в Брест корабль начали готовить к модернизационным работам, которые продолжались до августа 1881 года.
К 29 августа 1881 года на броненосце были пополнены запасы, 5 сентября того же года он присоединился к эскадре. На следующий год, 1 января корабль был укомплектован командой по сокращенному штату и 16 января отбыл в Тулон. С 30 января по 29 марта 1882 года Le Redoutable совершил плавание с заходами в Гольф-Жуан, Вильфранш и Сен-Рафаель. Через две недели броненосец в составе эскадры отбыл в плавание в Левант с заходами в различные порты Средиземноморья. По возвращении 2 июня в Тулон броненосец с 6 по 16 июня 1882 года прошел докование.

Из за нестабильной политической ситуации в Египте, угрожавшей свободному проходу кораблей через Суэцкий канал, в Тулоне все броненосцы укомплектовали по полному штату. Le Redoutable вошел в состав 2-й дивизии Маневренной эскадры - главных сил французского флота. Эскадра под предлогом проведения обычного плавания 3 июля 1882 года отбыла к берегам Туниса - месту возможных боевых действий. Во время бомбардировки Александрии английской эскадрой 11 июля, французские корабли предпочли не вмешиваться и после ослабления напряженности, 1 октября вернулись в Тулон. Не считая коротких походов в залив Жуан, до конца года корабль в море больше не выходил.
В течение 1883 года Le Redoutable в составе 1-й дивизии эскадры совершил три плавания по Средиземному морю. 3 октября броненосец перешел в бассейн Миссиеси для снятия барбетных орудий, а с 10 по 22 октября прошел докование. Во время нахождения в доке на корабле произошел трагический случай: 16 октября матрос, сорвавшийся с салинга брам-стеньги, разбился насмерть. В конце ноября броненосец перешел на якорную стоянку к Гольф-Жуану, где находился до 20 декабря.

До конца 1887 года Le Redoutable совершал плавания и проводил учения в составе эскадры. С 11 марта по 30 июня 1886 года эскадра принимала участие в массированных маневрах, проходивших в несколько этапов. Эти маневры в очередной раз подтвердили слабость минных сил и беззащитность побережья Франции. В сентябре того же года в машинном отделении броненосца при выходе на Йенский рейд начался пожар, который удалось быстро ликвидировать.

По окончании ремонтных работ броненосец был вновь вооружен и 1 марта 1888 года пополнен экипажем полной численности. Во время выхода на эскадренные маневровые учения 6 марта при постановке на якорь в Вильфранше, в следствие ошибочного маневра и не погашенной скорости корабль вылетел на камни носовой частью. Броненосцу удалось быстро сойти на чистую воду, но через пробоину был затоплен один отсек. 11 марта Le Redoutable был направлен в Тулон, где на следующий день встал в док. Ремонт продлился до 26 марта, после чего корабль перешел на рейд Гольф-Жуана и простоял там до 3 апреля 1888 года.

До второй половины 1889 года Le Redoutable принимал участие в эскадренных походах и учениях. 1 июня 1889 года Маневренную эскадру переименовали в Эскадру Западного Средиземноморья и Леванта. Броненосец 3-4 сентября совершил заход в Танжер для выполнения специального задания. Возле Шерифф корабль принял на борт эмиссаров для доставки во Францию. После захода в Алжир корабль прибыл в Тулон 14 сентября 1889 года.
С 10 октября 1889 года по 1 февраля 1890 года на броненосце были проведены модернизационные работы после чего корабль вернулся в состав эскадры. Следующая обширная модернизация проводилась с сентября 1893 до начала 1895 года.

Броненосец продолжал службу в Средиземном море до конца 1898 года, после чего был переведен во 2-ю дивизию Эскадры Севера, составленную из самых старых броненосцев. 24 июня 1900 года Эскадра Севера покинула Брест для совместных учений со Средиземноморской эскадрой. После их окончания и осмотра обоих эскадр президентом республики Э. Лубэ предполагалось, что Le Redoutable будет заменен броненосцем Saint Louis, а сам отправиться в резерв.
Однако из за начавшегося в Китае Боксерского восстания, Le Redoutable решили использовать в качестве флагмана Морской дивизии Дальнего Востока. Корабль был переведен в Шербур для подготовки к дальнему плаванию.

1 августа 1900 года на корабле поднял свой флаг вице-адмирал Потье, а на следующий день Le Redoutable отбыл к новому месту службы. Пройдя через Суэцкий канал, совершив заход в Джибути и Коломбо, миновав мыс Сен-Жак корабль прибыл в Сайгон 9 сентября 1900 года. На рейд ближайшего к Пекину порта - Таку броненосец пришел 29 сентября. Здесь вице-адмирал Потье принял командование международными морскими силами.
До декабря 1900 года броненосец осуществлял активное наблюдение за китайским побережьем, после чего отбыл на ремонт в Нагасаки. После окончания ремонта, 1 апреля 1901 года Le Redoutable вновь отправился в Таку, где продолжал патрулирование до 19 июля. В течение 1901 года броненосец совершил представительское плавание по японским портам и к Индокитаю, после чего прибыл в Сайгон.

В 1902 году броненосец Le Redoutable был окончательно приписан к Военно-морским силам Восточных морей. Весь год прошел в плаваниях с целью демонстрации флага. Корабль за это время посетил порты Японии, Порт-Артур и Дальний. Несмотря на произошедшую накануне поломку машины, броненосец 21 декабря вернулся в бухту Алонг.
22 января 1903 года броненосец малым ходом отправился в Сайгон на ремонт, где побыл до начала следующего года. В марте 1904 года Le Redoutable был переведен в Резервный дивизион, а 25 ноября 1905 года во вновь созданный Дивизион кораблей в Индокитае под командованием вице-адмирала Мароля.

6 апреля 1906 года во время выхода на испытания начался перегрев средних погребов боезапаса. При достижении в них 37° пришлось выгрузить порох после чего она продолжала подниматься, достигнув 41°.
Корабль вернули в док Сайгона, где работы продолжались до 23 апреля 1906 года. В 1907 году на броненосце началась установка электрической системы управления огнем 240-мм казематных орудий.
В 1908 году командир броненосца написал донесение о том, что состояние корабля неблагоприятное и предложил списать Le Redoutable. До конца 1909 года между Сайгоном и Парижем продолжалась переписка по поводу решения судьбы броненосца.
9 марта 1910 года броненосец Le Redoutable был исключен из состава флота. Котлы носовой группы, находившиеся в хорошем состоянии были переданы в собственность арсенала. Артиллерия корабля была признана не годной для дальнейшей службы и потому осталась на борту. 17 августа 1911 года корпус броненосца был продан за 100000 франков.
В 1912 году в арсенале Сайгона началась его разборка на металл. Последнее упоминание о корабле относится к сентябрю 1918 года, оно относиться к 700 т (403 плиты) поясной брони, хранящейся на территории арсенала.