Почему стальной корабль плавает, а стальной шар тонет?

История и предсказание

На поверхности воды может плавать стальной корабль, хотя маленький стальной шар тонет. Сравнивать только материал неверно: корпус охватывает воздух, поэтому масса всего корабля распределена на большой внешний объём. Чтобы удержаться, корабль вытесняет столько воды, чтобы выталкивающая сила сравнялась с силой тяжести. Если нагрузить его сверх возможности вытеснять воду, он начнёт тонуть.

Перед чтением запишите своё предположение в журнале и объясните его одним предложением. После расчёта вернитесь к предположению: совпадение ответа с ожиданием ещё не подтверждает объяснение. Важно проверить, какие условия были заданы, а какие вы действительно наблюдали.

Слова, которые понадобятся

Средняя плотность всего тела — общая масса, делённая на внешний объём, включая полости внутри корпуса. Не путайте её с плотностью стали. Равновесие плавающего тела означает, что направленная вверх выталкивающая сила равна направленному вниз действию Земли. Осадка — глубина погружения корпуса ниже поверхности. Чем больше груз, тем больше нужный вытесненный объём и, как правило, осадка.

Проверяем модель на числах

Учебная модель: лодочка вместе с грузом имеет массу 0,3 кг. При g ≈ 10 Н/кг её вес равен 3 Н. Для равновесия в воде она должна вытеснить V = 3/(1000 × 10) = 0,0003 м³ = 0,3 л воды. Литр — объём куба 10 см × 10 см × 10 см; 1 л = 0,001 м³. Если внешний объём лодочки меньше необходимого, статическое плавание невозможно.

Безопасное исследование

Сверните лодочку из фольги и положите на воду в неглубоком подносе. Добавляйте по одной лёгкой одинаковой монете и отмечайте осадку на рисунке; не меряйте её «на глаз» в ньютонах. Остановитесь до перелива. Без опыта рассчитайте объём для массы 0,5 кг: 0,5 л. Обсудите, почему форма с широкой полостью помогает держать больший объём воздуха.

Где легко ошибиться

Ловушка: «сталь стала легче воды». Плотность стали не меняется; рассматривается средняя плотность всего корпуса с воздухом. Пустая лодочка и перегруженная лодочка — разные системы.

Опорная карта

Новый случай без подсказки

Закройте разобранный пример. Нарисуйте ситуацию заново, назовите тело и действующие на него силы. Затем измените только одно данное число, пересчитайте результат с единицами и скажите, что осталось неизменным. Если не было измерительного прибора, напишите «расчёт по учебной модели», а не «измерено».

Запись в лабораторный журнал

Сделайте четыре строки: вопрос; предсказание; данные или наблюдение; вывод с оговоркой. Рядом подпишите одну причину, по которой реальный опыт может отличаться от идеального рисунка. Вернитесь к этому листу после следующего урока и исправьте вывод, если новая проверка его изменила.

Следующий урок: Как маленький поршень поднимает большую нагрузку?