Номер 3, страница 88, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 7. Закон архимеда. Плавание тел. Параграф 67. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 3, страница 88.

Условие.

• Как плавает подводная лодка.

Решение.

Как плавает подводная лодка.

Принцип плавания подводной лодки основан на законе Архимеда и на способности лодки изменять свою плавучесть. На любое тело, погруженное в жидкость, действуют две основные силы в вертикальном направлении.

Первая сила — это сила тяжести ($F_Т$), направленная вертикально вниз. Она равна произведению массы лодки ($\text{m}$) на ускорение свободного падения ($\text{g}$): $F_Т = mg$.

Вторая сила — это выталкивающая сила, или сила Архимеда ($F_А$), направленная вертикально вверх. Она равна весу жидкости, вытесненной погруженной частью лодки: $F_А = \rho_{ж} g V_{п.ч.}$, где $\rho_{ж}$ — плотность жидкости, а $V_{п.ч.}$ — объем погруженной части тела.

Ключевым элементом конструкции подводной лодки являются балластные цистерны — специальные емкости, которые можно заполнять водой или продувать сжатым воздухом. Изменяя количество воды в этих цистернах, лодка меняет свою общую массу ($\text{m}$) и, следовательно, силу тяжести ($F_Т$). Это позволяет управлять соотношением между силой тяжести и силой Архимеда, что и определяет её поведение в воде.

Существует три основных режима плавания:
1. Всплытие. Чтобы подняться на поверхность, из балластных цистерн вытесняется вода с помощью сжатого воздуха. Масса лодки уменьшается, и сила тяжести становится меньше выталкивающей силы ($F_Т < F_А$). Равнодействующая этих сил направлена вверх, и лодка всплывает. На поверхности она плавает в состоянии, когда сила тяжести уравновешена силой Архимеда, действующей на её погруженную часть ($F_Т = F_А$).
2. Погружение. Для погружения, наоборот, открываются клапаны, и балластные цистерны заполняются забортной водой. Масса лодки увеличивается, сила тяжести становится больше выталкивающей силы ($F_Т > F_А$), и лодка начинает тонуть, погружаясь на глубину.
3. Нейтральная плавучесть. Чтобы оставаться на постоянной глубине («зависнуть»), количество воды в цистернах точно регулируется до тех пор, пока масса лодки не станет такой, что сила тяжести будет в точности равна силе Архимеда ($F_Т = F_А$). В этом состоянии лодка находится в равновесии и может перемещаться на заданной глубине, не всплывая и не погружаясь.

Для более точного и быстрого управления глубиной во время движения подводная лодка также использует горизонтальные рули (гидропланы). При движении лодки поток воды создает на них гидродинамическую силу (подъемную или «опускающую»), которая помогает изменять глубину без изменения балласта.

Ответ: Подводная лодка плавает, управляя своей плавучестью путем изменения массы за счет заполнения или осушения балластных цистерн. Для погружения цистерны заполняют водой, увеличивая вес лодки так, чтобы он превысил выталкивающую силу ($F_Т > F_А$). Для всплытия воду вытесняют сжатым воздухом, уменьшая вес ($F_Т < F_А$). Для движения на постоянной глубине вес лодки уравновешивают с выталкивающей силой ($F_Т = F_А$).