Устойчивость плавающих тел

Погрузим деревянный брусок сантиметров в 30 длиной вертикально в воду. Попробуем заставить его плавать в таком положении. Как бы мы не бились — это не удается — брусок не хочет плавать вертикально. Он немедленно переворачивается и ложится горизонтально. Вертикальное положение является для него неустойчивым, а горизонтальное — устойчивым.

Теперь проделаем то же самое с пустым закрытым пузырьком. Пузырек тоже переворачивается и плавает горизонтально.

Теперь будем класть в него шайбочки или монеты, но не все сразу, а по одной, не забывая каждый раз закрывать пузырек. Каждый добавленный груз заставляет пузырек опускаться в воду все ниже и ниже. Когда монет £ станет достаточно много, исчезнет проблема, как установить пузырек в вертикальном положении. Он встанет так сам по себе. Даже если вы попытаетесь положить его горизонтально, он тут же вернется в вертикальное положение. Теперь это положение будет для него устойчивым, а горизонтальное — неустойчивым.

Устойчивость плавающих тел

При достаточном грузе брусок поведет себя так же, как и пузырек, наполненный монетами,— начнет плавать вертикально. Почему же это происходит Прежде всего заметим, что дерево — вещество, которое не тонет в воде. Другими словами, если погрузить деревянный предмет в воду, то выталкивающая сила обязательно поднимет его на поверхность. Выталкивающая сила всегда направлена вверх. В случае дерева она больше, чем направленная вниз сила земного притяжения, именно поэтому брусок поднимается.

Теперь представим себе брусок без дополнительных грузов, который мы держим в воде под углом к поверхности. Что произойдет, если его отпустить Чтобы ответить на этот вопрос, надо посмотреть, какие силы приложены к разным участкам бруска. Одна его часть (А) находится над водой. На эту часть не действует выталкивающая сила. Единственной силой, действующей на нее, является сила тяжести, и направленная вертикально вниз. Другая часть бруска (С) находится под водой. Значит, на нее действует направленная вверх выталкивающая сила, которая превышает силу тяжести. Суммарная сила, приложенная к этой части бруска, тоже направлена вверх. Теперь исследуем совместное действие сил В и D на весь деревянный брусок. Сила В, приложенная к левой стороне, пытается опустить его, а сила D, приложенная к правой части, заставляет двигаться вверх. Совместно эти две силы стремятся повернуть брусок в направлении, указанном стрелкой Е. Такой поворот и приводит его в горизонтальное положение; только лежа на поверхности воды, брусок может находиться в устойчивом состоянии равновесия.

Давайте теперь подумаем, что происходит, когда к концу бруска привязан предмет, сделанный из тяжелого металла (но не такой тяжелый, чтобы утянуть весь брусок на дно). Груз будет стремиться опустить брусок вниз, так как на него действует сила тяжести. В результате брусок погрузится в воду глубже, чем обычно. Над водой окажется меньшая часть бруска, а под водой — большая. Поскольку вода выталкивает дерево, на брусок действует направленная вверх сила. Теперь две силы будут поворачивать брусок в направлении, указанном стрелкой, и он перейдет в вертикальное положение. Дополнительный груз на конце бруска приводит к тому, что именно это положение теперь для него единственно устойчивое.

Предположим, что мы попытаемся установить нагруженный брусок в вертикальном положении, но так, чтобы груз был вверху. Установить брусок строго вертикально очень трудно, так как малейшая волна отклоняет его.

Тогда тяжелый груз наверху заставляет брусок крениться, например, влево.

В то же время ..

Погрузим деревянный брусок сантиметров в 30 длиной вертикально в воду. Попробуем заставить его плавать в таком положении. Как бы мы не бились — это не удается — брусок не хочет плавать вертикально. Он немедленно переворачивается и ложится горизонтально. Вертикальное положение является для него неустойчивым, а горизонтальное — устойчивым.

Теперь проделаем то же самое с пустым закрытым пузырьком. Пузырек тоже переворачивается и плавает горизонтально.

Теперь будем класть в него шайбочки или монеты, но не все сразу, а по одной, не забывая каждый раз закрывать пузырек. Каждый добавленный груз заставляет пузырек опускаться в воду все ниже и ниже. Когда монет £ станет достаточно много, исчезнет проблема, как установить пузырек в вертикальном положении. Он встанет так сам по себе. Даже если вы попытаетесь положить его горизонтально, он тут же вернется в вертикальное положение. Теперь это положение будет для него устойчивым, а горизонтальное — неустойчивым.

Устойчивость плавающих тел

При достаточном грузе брусок поведет себя так же, как и пузырек, наполненный монетами,— начнет плавать вертикально. Почему же это происходит Прежде всего заметим, что дерево — вещество, которое не тонет в воде. Другими словами, если погрузить деревянный предмет в воду, то выталкивающая сила обязательно поднимет его на поверхность. Выталкивающая сила всегда направлена вверх. В случае дерева она больше, чем направленная вниз сила земного притяжения, именно поэтому брусок поднимается.

Теперь представим себе брусок без дополнительных грузов, который мы держим в воде под углом к поверхности. Что произойдет, если его отпустить Чтобы ответить на этот вопрос, надо посмотреть, какие силы приложены к разным участкам бруска. Одна его часть (А) находится над водой. На эту часть не действует выталкивающая сила. Единственной силой, действующей на нее, является сила тяжести, и направленная вертикально вниз. Другая часть бруска (С) находится под водой. Значит, на нее действует направленная вверх выталкивающая сила, которая превышает силу тяжести. Суммарная сила, приложенная к этой части бруска, тоже направлена вверх. Теперь исследуем совместное действие сил В и D на весь деревянный брусок. Сила В, приложенная к левой стороне, пытается опустить его, а сила D, приложенная к правой части, заставляет двигаться вверх. Совместно эти две силы стремятся повернуть брусок в направлении, указанном стрелкой Е. Такой поворот и приводит его в горизонтальное положение; только лежа на поверхности воды, брусок может находиться в устойчивом состоянии равновесия.

Давайте теперь подумаем, что происходит, когда к концу бруска привязан предмет, сделанный из тяжелого металла (но не такой тяжелый, чтобы утянуть весь брусок на дно). Груз будет стремиться опустить брусок вниз, так как на него действует сила тяжести. В результате брусок погрузится в воду глубже, чем обычно. Над водой окажется меньшая часть бруска, а под водой — большая. Поскольку вода выталкивает дерево, на брусок действует направленная вверх сила. Теперь две силы будут поворачивать брусок в направлении, указанном стрелкой, и он перейдет в вертикальное положение. Дополнительный груз на конце бруска приводит к тому, что именно это положение теперь для него единственно устойчивое.

Предположим, что мы попытаемся установить нагруженный брусок в вертикальном положении, но так, чтобы груз был вверху. Установить брусок строго вертикально очень трудно, так как малейшая волна отклоняет его.

Тогда тяжелый груз наверху заставляет брусок крениться, например, влево.

В то же время выталкивающая сила воды (К) действует на нижнюю часть бруска, поднимая ее вправо. Совместное действие этих двух сил (/ и К) поворачивает брусок в направлении, показанном стрелкой L. Когда он окажется в горизонтальном положении, груз по-прежнему будет тянуть свой конец вниз. Брусок продолжает поворачиваться, пока не придет опять в вертикальное положение, но теперь груз окажется под водой.

Конструкторы обязательно должны учитывать эти поворачивающие силы при разработке новых моделей кораблей. Корабли с перегруженным верхом, случалось, опрокидывались во время шторма. Как-то один капитан распорядился загрузить бревна на верхнюю палубу, что сделало корабль неустойчивым. Когда начался шторм, бревна покатились по палубе к одной из боковых сторон, вызвав крен корабля на большой угол. Корабль зачерпнул воду и пошел ко дну.

Наши рассуждения относятся и к способности людей удерживаться в вертикальном положении. У человеческого тела большая часть массы расположена выше точек опоры — ног. И если человек сильно наклонится, сила тяжести опрокинет тело точно так же, как опрокидывается брусок с грузом в ванне. Природа снабдила человека большими ступнями, которые в некоторой степени предохраняют его от такого падения. Но в детстве каждый из нас затрачивает много сил и времени, чтобы научиться трудному искусству держаться на ногах и сохранять вертикальное положение тела. Четвероногим животным намного легче постигнуть эту премудрость. Горизонтальное положение тела животного гораздо устойчивее, чем вертикальное положение человеческого тела.

Вам, наверное, может показаться, что неустойчивое положение человека на двух ногах — большое неудобство. Само по себе это конечно так, но такое неудобное положение освободило две передние конечности, человек смог брать различные предметы, потом сам изготовлять орудия труда, что и сделало человека человеком. Многие ученые считают, что способность ходить прямо сыграла важную роль в сохранении человеческого рода. Человек стал выше травы на лугах, покрывавших большую часть суши миллионы лет назад. Он смог выпрямиться, посмотреть поверх травы и обнаружить как животных, на которых он охотился, так и врагов-хищников. Затем при необходимости можно было опуститься в траву и передвигаться незамеченным.

Не удивительно ли, что силы, которые действуют в обычной ванне, оказывается, повлияли на внешний вид человека и его историю, а также на развитие других живых существ на Земле.

ЗАДАЧИ

1. В какой части лодки лучше всего укладывать тяжелые предметы?

 

Объясните ваш ответ.

2 Катамараном называется широкая лодка, установленная на двух поплавках, прикрепленных к бортам. В чем преимущество такой конструкции?

 

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

 

1. Погрузите надутый воздухом резиновый шарик под воду в ванне и отпустите его. Выпрыгнет ли он из воды? Проделайте тот же самый опыт с куском дерева. Поднимется ли он быстрее или медленнее шара Подумайте, почему различные плавающие предметы, погруженные под воду, поднимаются с разной скоростью. Присмотритесь к поверхности воды во вращающейся чашке или стакане. Чтобы раскрутить стакан или чашку, можно аккуратно поставить сосуд в центр диска проигрывателя, а потом включить его. Конечно, лучше для этого воспользоваться старым проигрывателем, а диск прикрыть полиэтиленом на случай, если вода прольется. Воды нужно налить поменьше, во избежание расплескивания и порчи проигрывателя. Начинайте с самых медленных оборотов, а потом постепенно увеличивайте их, замечая, что происходит с водой.