1.3.1. ХВИЛІ. ОСОБЛИВОСТІ ХВИЛЬОВОГО РУХУ
Механічні хвилі — це процес поширення коливань у пружних середовищах.
✵ Середовище називають пружним, якщо між його частинками існують сили, що перешкоджають деформації.
Механізм поширення хвилі. Тіло, що коливається у пружному середовищі, — джерело хвилі — діє на прилеглі до нього частинки і спонукає їх робити вимушені коливання. Ці частинки діють на сусідні, також спонукаючи їх до коливань. Поступово всі частинки, одна за одною, долучаються до коливального руху — у середовищі поширюється хвиля.
Особливості хвильового руху.
1) Частота коливань частинок у процесі поширення хвилі дорівнює частоті коливань джерела хвилі.
2) Хвиля поширюється у просторі не миттєво, а з деякою швидкістю.
3) Під час хвильового руху речовина не переноситься, відбувається лише перенесення енергії.
4) У будь-якій хвилі одночасно відбуваються два види рухів: коливання частинок середовища і процес поширення хвилі.
✵ Кожна частинка середовища, де поширюється хвиля, здійснює періодичні коливання в часі. Через деякий інтервал часу Т коливання частинки повністю повторюються (рис. 1.7). Т — період коливань.
✵ Якщо зафіксувати даний момент часу, то через деяку відстань X повністю повторюється форма хвилі (рис. 1.8). Тут — довжина хвилі.
Довжина хвилі — це відстань між двома найближчими точками, які коливаються однаково; відстань, на яку поширюється хвиля за час, що дорівнює періоду:
де v — швидкість поширення хвилі.
✵ Одиниця довжини хвилі в СІ — метр (м). Швидкість поширення v хвилі — відстань, на яку поширюється хвиля за 1 с.
✵ Швидкість поширення пов’язана із частотою v коливань частинок у хвилі та довжиною хвилі X формулою хвилі:
✵ Швидкість поширення хвилі залежить від пружних властивостей середовища. Наприклад, швидкість поширення звукової хвилі у воді набагато більша, ніж у повітрі: швидкість звуку у повітрі близько 340 м/с, у воді — 1500 м/с, у металах — 5000 м/с.
✵ Під час переходу з одного середовища в інше змінюється довжина хвилі, а частота залишається незмінною.
1.3.2. ПОЗДОВЖНІ Й ПОПЕРЕЧНІ ХВИЛІ
Хвиля, у якій частинки коливаються вздовж напрямку поширення хвилі, називається поздовжньою.
✵ Під час поширення поздовжньої хвилі наявні згущення та розрідження частин середовища.
✵ Поздовжні хвилі відбуваються завдяки деформації стиску або розтягнення, тому поширюються у будь-якому середовищі.
Хвиля, у якій частинки коливаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі, називається поперечною.
✵ Під час поширення поперечної хвилі наявні горби та западини.
✵ Поперечні хвилі відбуваються завдяки деформації зсуву, тому поширюються лише у твердому середовищі або на поверхні рідин.
Звукові хвилі — це поздовжні механічні хвилі, що сприймаються органом слуху людини. Частота звукової хвилі від 20 до 20000 Гц.
✵ Хвилі частотою більше за 20000 Гц — це ультразвукові хвилі, частотою менше від 20 Гц — інфразвукові хвилі.
✵ Швидкість поширення звукової хвилі залежить від виду середовища та його температури (з підвищенням температури швидкість поширення звуку зростає).
✵ Будь-які хвилі, у тому числі й звукові:
✵ частково відбуваються на межі двох середовищ, при цьому кут падіння дорівнює куту відбивання (завдяки відбиванню звуку виникає луна);
✵ заломлюються під час переходу з одного середовища в інше;
✵ огинають перешкоди — дифракція хвиль;
✵ внаслідок накладання звукових хвиль однакової частоти спостерігається посилення або послаблення звуку в даній точці простору — інтерференція хвиль.
Гучність звуку — суб’єктивна характеристика. Вона залежить від інтенсивності звуку (зумовлена амнлітудою коливань), а також від частоти коливань (слух людини найбільш чутливий до коливань діапазону 1000 4000 Гц).
Висота тону залежить від частоти: чим більша частота, тим вищий тон.
Музичні звуки — це періодичні коливання, що є сумою синусоїдних коливань (тонів). Тон із найменшою частотою називають основним тоном. Решту тонів, що супроводжує основний, називають обертонами або вищими гармоніками.
Тембр звуку — це характеристика музичного звуку, яка залежить від кількості обертонів, які супроводжують основний тон, від їхніх частот, амплітуд.
Звуковий резонанс — це явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань тіла А (струни, стовпа повітря тощо), якщо частота вимушених коливань v, зумовлених звуковою хвилею, наближається до частоти власних коливань тіла v0 або дорівнює їй (рис. 1.9).
Мовлення і слух людини зумовлені звуковим резонансом. Гортанний звук — стовп повітря в гортані резонує з коливаннями голосової зв’язки. Слух — слухова «струна» в завитку внутрішнього вуха резонує зі звуковою хвилею, що дійшла.
ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ТЕСТОВИХ ЗАВДАНЬ
1. Установіть відповідність між видом коливань і їх характеристиками.
A Відбуваються під дією внутрішніх сил системи
Б їхня енергія зменшується з часом
В Відбуваються під дією зовнішньої сили, що періодично змінюється
Г Відбуваються за законом синуса або косинуса
Д Відбуваються внаслідок здатності системи самостійно регулювати надходження енергії
Обгрунтування вибору відповіді
1. Вільні коливання виникають завжди, коли тіло (або система тіл) перебуває поблизу положення стійкої рівноваги. Це не випадково: положення стійкої рівноваги тіла характеризується саме тим, що в разі відхилення від цього положення рівнодійна всіх сил, прикладених до тіла, прагне повернути тіло в стан рівноваги. Під дією повертальної сили тіло, відхилившись від положення рівноваги, прагне повернутися в це положення, але внаслідок інертності проходить його й відхиляється в інший бік. Однак при цьому знову виникає повертальна сила, напрямлена тепер протилежно.
Коливання, які відбуваються під дією внутрішніх сил системи, називають вільними. (А)
2. У разі малого відхилення від положення рівноваги повертальна сила прямо пропорційна зміщенню. У цьому випадку зміщення х залежить від часу за законом синуса або косинуса. Коливання, що відбуваються за законом синуса або косинуса, називають гармонічними. (Г)
3. У разі наявності тертя амплітуда коливань поступово зменшується, тому що механічна енергія переходить у внутрішню: тіло й середовище нагріваються. Такі коливання називають згасаючими. Оскільки тертя тією чи іншою мірою наявне в будь-якій системі, вільні коливання завжди є згасаючими, хоча загасання коливань може відбуватися протягом тривалого часу. (Б)
4. Тіло або система тіл може здійснювати коливання під дією зовнішньої сили, що періодично змінюється. Коливання, здійснювані під дією зовнішньої сили, що періодично змінюється, називають вимушеними. (В)
2. Підвішений на довгій нитці тягарець здійснює малі коливання. Укажіть правильне твердження.
А Чим довша нитка, тим менший період коливань.
Б Чим більша маса тягарця, тим більша частота коливань.
В Кінетична енергія тягарця то зменшується, то збільшується.
Г Чим більша амплітуда коливань, тим менша їхня енергія.
Обґрунтування вибору відповіді
✵ Твердження А є неправильним. Якщо довжина нитки набагато більша за розмір тягарця, а масою нитки можна знехтувати порівняно з масою тягарця, то маятник називають математичним.
Період малих коливань математичного маятника
де l — довжина нитки, g — прискорення вільного падіння в даному місці. Звідси випливає, що період коливань T ~ .
✵ Твердження Б є неправильним. Оскільки частота малих коливань математичного маятника дорівнює v = = , то від маси вона не залежить.
✵ Твердження В є правильним. Під час коливань відбуваються періодичні перетворення потенціальної енергії в кінетичну, й навпаки. У момент найбільшого відхилення від положення рівноваги потенціальна енергія є максимальною, а кінетична енергія дорівнює нулю. Коли тягарець проходить положення рівноваги.
потенціальна енергія мінімальна, а кінетична максимальна, тобто кінетична енергія тягарця то зменшується, то збільшується.
✵ Твердження Г є неправильним. Амплітуду коливань маятника визначає запас його повної енергії.
Розрахунки показують, що енергія коливальної системи пропорційна квадрату амплітуди коливань для будь-яких гармонічних коливань.
3. Матеріальна точка здійснює гармонічні коливання. На рисунку наведено залежність її координати від часу. Укажіть правильне твердження.
А Амплітуда коливань дорівнює 0,6 м.
Б Період коливань становить 3 с.
В Частота коливань перевищує 0,5 Гц.
Г Циклічна частота коливань менше ніж рад/с.
Обґрунтування вибору відповіді
✵ Твердження А є неправильним. Максимальне значення величини, що зазнає коливань за гармонічним законом, називають амплітудою коливань. На поданому графіку максимальне значення координати дорівнює 0,3 м.
✵ Твердження Б є правильним. Оскільки період коливання — це інтервал часу, через який рух повністю повторюється, то з графіка випливає, що Т = 3 с.
✵ Твердження В є неправильним. Оскільки період коливань 3 с, то частота коливань v = = (Гн).
✵ Твердження Г є неправильним. Величину = називають циклічною частотою.
4. Куля масою 1 кг коливається на пружині, жорсткість якої дорівнює 40 Н/м. Укажіть правильне твердження.
А Період коливань кулі є більшим за 1,5 с.
В Частота коливань кулі менша від 0,5 Гц.
В Якщо кулю замінити вантажем масою 4 кг, то період коливань збільшиться у 2 рази.
Г Якщо жорсткість пружини зменшиться, то період коливань також зменшиться.
Обґрунтування вибору твердження
✵ Твердження А є неправильним. Період малих коливань пружинного маятника
де m — маса вантажу, k — жорсткість пружини. Знаходимо період коливань:
✵ Твердження Б є неправильним. Знаходимо частоту коливань вантажу:
✵ Твердження В є правильним. Оскільки період коливань вантажу на пружині Т ~ , то в разі збільшення маси в 4 рази період коливань збільшиться у 2 рази.
✵ Твердження Г є неправильним. Оскільки період коливань вантажу на пружині T ~ , то в разі зменшення жорсткості пружини період коливань збільшується.
5. У повітрі поширюється звукова хвиля. Укажіть правильне твердження.
А Під час поширення хвилі переноситься речовина.
Б Хвиля являє собою чергування стиснень і розріджень повітря.
Г Чим вища частота звукової хвилі, тим менша швидкість її поширення.
Обґрунтування вибору відповіді
✵ Твердження А є неправильним. Коли хвиля поширюється, частинки середовища коливаються біля положень рівноваги, тому швидкість їхнього напрямленого руху дорівнює нулю. Отже, хвилі не переносять речовини.
✵ Твердження Б є правильним. Звукові хвилі в повітрі є поздовжніми, тобто являють собою чергування розріджень і згущень повітря. Розрідження і згущення супроводжуються змінами тиску. У звуковій хвилі, що відповідає звичайному мовленню, зміна тиску повітря становить лише близько однієї мільйонної частки атмосферного тиску.
✵ Твердження В є неправильним. Хвилі, під час поширення яких частинки середовища зміщуються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі, називають поперечними. Звукові хвилі в повітрі поздовжні, тобто являють собою чергування розріджень і згущень повітря.
✵ Твердження Г є неправильним. Швидкість поширення звукової хвилі залежить від густини, температури і складу середовища, у якому поширюється хвиля, і зазвичай не залежить від частоти хвилі.
6. Мембрана гучномовця коливається з частотою 1 кГц. Укажіть правильне твердження.
А Чим більша амплітуда коливань мембрани, тим більша висота звуку.
Б Чим більша амплітуда коливань мембрани, тим менша гучність звуку.
В Довжина звукової хвилі в навколишньому повітрі більша за 30 см.
Г Зі збільшенням температури швидкість поширення звуку не змінюється.
Обґрунтування вибору відповіді
✵ Твердження А є неправильним. Висоту звуку визначає частота звукової хвилі: чим більша частота хвилі, тим звук вищий.
✵ Твердження Б є неправильним. Гучність звуку визначається в основному амплітудою звукової хвилі: чим більша амплітуда коливань у звуковій хвилі, тим гучніший звук.
✵ Твердження В є правильним. Довжина звукової хвилі в повітрі = . Оскільки швидкість поширення звуку в повітрі дорівнює 340 м/с, то довжина хвилі = = = 0,34 (м) = 34 см.
✵ Твердження Г є неправильним. Швидкість поширення звуку залежить від температури середовища. Зі збільшенням температури вона зростає.
7. Визначте період коливань пружинного маятника, якщо пружина у вертикальному положенні розтягується під дією підвішеного до неї тягарця на 1 см.
Період коливань тягарця на пружині
де жорсткість пружини k можна знайти зі співвідношення mg = kx як k = .
Тоді період коливань знаходимо в такий спосіб:
ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ’ЯЗАННЯ
1. Тягарець, підвішений на довгій нитці, здійснив 5 коливань за 10 с. Укажіть правильне твердження. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними.
А Період коливань більший за 2,5 с.
Б Частота коливань перевищує 1 Гц.
В Довжина нитки менша за 1,5 м.
Г Унаслідок нагрівання нитки період коливань зменшується.
2. Установіть відповідність між фізичною величиною, що характеризує коливання тіла на пружині, та виразом для її визначення, де m — маса тіла, k — жорсткість пружини, А — амплітуда коливань. Вважайте, що у початковий момент часу тіло знаходилося у положенні рівноваги.
1 Максимальна швидкість руху
3 Потенціальна енергія через періоду
4 Кінетична енергія через періоду
3. Тіло здійснює горизонтальні коливання на пружині жорсткістю 40 Н/м. Рівняння коливань тіла має вигляд: х = 0,05 sin 6 t (усі величини виражені в одиницях СІ). Установіть неправильне твердження. Доведіть, що інші твердження є правильними. Вважайте, що 2 = 10. А За 4 с тіло здійснює 12 повних коливань.
Б Повна енергія коливань дорівнює 0,1 Дж.
В Маса тіла більша за 100 г.
Г Через є кінетична енергія тіла дорівнюватиме 0,025 Дж.
4. Тягарець, який підвісили на мотузці у потягу, що рухається, починає сильно коливатись, якщо швидкість руху потяга досягає 90 км/год. Установіть правильне твердження. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними. Довжина рейки дорівнює 25 м. Вважайте, що 2 =g.
А Частота коливань маятника дорівнює 2 Гц.
Б Маятник за 1 хв здійснює 60 коливань.
В Довжина нитки маятника дорівнює 40 см.
Г Під час коливань кінетична енергія маятника один раз за секунду досягає максимального значення.
5. Камертон здійснює 4 коливання за 0,01 с.
Укажіть правильне твердження. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними.
А У навколишньому повітрі поширюється звукова хвиля.
Б У навколишньому повітрі поширюється ультразвукова хвиля.
В Частота звукової хвилі в повітрі 25 Гц.
Г Довжина звукової хвилі в повітрі більша за 1 м.
6. Звукова хвиля переходить із повітря у воду.
Довжина хвилі в повітрі дорівнює 50 см. Укажіть правильне твердження. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними.
А Частота хвилі в повітрі менша за 500 Гц.
Б Частота хвилі у воді перевищує 800 Гц.
В Довжина хвилі внаслідок переходу не змінюється.
Г Довжина хвилі у воді більша за 2 м.
7. Графік коливань деякої частинки у механічній хвилі подано на рисунку. Установіть відповідність між фізичною величиною та її значенням в СІ, якщо хвиля поширюється зі швидкістю 18 км/год.
Амплітуда коливань частинки
1. Виконай дослід. Вертикально закріпи лінійку та коливай її (мал. 34.1, а). Тепер притисни лінійку до краю парти й також утвори коливання. Змінюй довжину вільного кінця доки не почуєш звук коливань (мал. 34.1, б). Зроби висновок.
Мал. 34.1. Коливання: чути чи ні?
2. Назви спільну ознаку предметів на малюнку 34.2. Класифікуй їх на дві групи (за походженням звуку).
Мал. 34.2. Згрупуй джерела звуку
3. Надуй повітряну кульку й приклади її до вуха. Злегка дряпни кульку. Який звук чуєш? Чи таким самим буде звук, якщо віддалити кульку і так само дряпнути?
4. Натягни канцелярську резинку на паперовий стаканчик. Розтягуй і відпускай резинку з різних боків стаканчика. Поясни, чому змінюється звучання.
Якими бувають джерела звуку?
Не кожне коливання утворює звук. Наприклад, беззвучно коливається підвішена лінійка в першому досліді (мал. 34.1). Проте ми чуємо коливання цієї ж лінійки. Річ у тім, що в другому прикладі лінійка під час коливань стискає шар повітря з того боку, в який рухається, і водночас створює розрідження з іншого боку. Ці стиснення й розрідження чергуються та поширюються у вигляді повздовжньої хвилі (див. мал. 18.3) Якщо ж коливання стають частішими, ніж 16 разів за секунду (від 16 до 20 000), то саме такі коливання людське вухо розпізнає як звук.
Мал. 34.3. Поширення звуку
Звукова хвиля (або просто звук) — це коливання частинок середовища, яке передається в просторі й сприймається вухом.
Як поширюється звук?
Звук розповсюджується в усіх речовинах. У вакуумі звук не поширюється, адже в ньому немає частинок (атомів і молекул), які б передавали коливання.
Отже, звук, як і світло — це хвиля. Тільки природа цих хвиль різна. Для поширення звуку необхідне існування середовища, що складається з атомів і молекул — це механічна хвиля. А от світло може поширюватися будь-де, навіть у вакуумі — це електромагнітна хвиля. Ці назви не означають, що одна з хвиль пов’язана з механізмами, а друга щось магнітить. Так називаються відповідні розділи фізики, де вивчаються ці явища.
Яка з двох хвиль, на твою думку, — світлова чи звукова — передається швидше? Пригадай блискавку і грім — це допоможе відповісти правильно.
Відбиття і поглинання звуку
Звукова хвиля поширюється в середовищі й рано чи пізно доходить до його межі. На цій межі спостерігається поглинання й відбиття звукової хвилі.
Мал. 34.4. Відбиття звуку — основа ехолокації
З відбиванням звуку пов’язане явище луни. Коли звук від джерела доходить до перешкоди як-от лісу чи стіни, відбивається від неї й повертається до місця, де виникли звукові коливання. Луна є основою ехолокації.
Деякі тварини (кажани, кити та дельфіни) використовують ехолокацію для орієнтування й полювання: вони подають звукові сигнали й дослухаються до луни. З цієї звукової інформації їхній мозок формує уявний образ довкілля.
Звук є джерелом різної інформації (мал. 34.5). Прослуховуванням за допомогою медичного фонендоскопу звуків в організмі, можна дізнатися про роботу серця, легень.
Важливу інформацію нам дає мова — засіб звукового спілкування. Тварини також створюють і чують звуки. Звуки для них — це сигнал про те, що відбувається навколо.
Мал. 34.5. Роль звуку в пізнанні світу
1. Наведи приклади природних і штучних джерел звуку.
2. Розглянь малюнок 34.6 і поясни, як виникає та поширюється звук у кожному випадку.
Мал. 34.6. До завдання
3. Якщо помахати рукою, то в повітрі поширюватимуться механічні хвилі. Чому ми їх не чуємо?
4. Чи можна на Землі почути гуркіт від падіння метеорита на поверхню Місяця?
5. Склади порівняльну характеристику світла й звуку.
Подібні ознаки
Відмінності
6. Як далеко вдарив грім, якщо людина почула його через 3 с після того, як побачила блискавку? Швидкість звуку приблизно 330 м/с.
7. Через який час людина почує луну, якщо відстань до перешкоди 170 м, а швидкість звуку в повітрі є 340 м/с?
8. Чому в одній умові задачі швидкість звуку 330 м/с, а іншій — 340 м/с? Як ти вважаєш, що впливає на швидкість звуку в повітрі? Швидкість поширення звуку у воді буде більша, ніж у повітрі, чи менша? А чи в металі більша, ніж у воді? Обґрунтуй відповідь.
9. Досліди, як поширюється звук у різних середовищах. За можливості виконай вдома досліди, зображені на малюнку 34.7.
Мал. 34.7. Де голосніше?
Напевно, ви купалися у водоймі та помічали, що у воді ваше тіло здається легшим, ніж на повітрі.
Як ви пам’ятаєте, на будь-яке тіло на поверхні Землі діє сила тяжіння. І що більша маса тіла, тим більше ця сила. А на тіло, занурене в рідину, також діє сила виштовхування. Переконатися в існуванні цієї сили легко: достатньо спробувати занурити у воду повітряну кульку або м’яч.
Під час занурення м’яча у воду помітно відчувається супротив — це виявляється сила виштовхування. Що глибше ми занурюємо м’яч, тим сильніше відчуваємо виштовхування.
Мал. 5.1. Будь-яке тіло, занурене у воду, здається легшим, ніж у повітрі
Уперше силу виштовхування описав давньогрецький науковець Архімед, на честь якого сьогодні цю силу називають силою Архімеда.
Архімед (287-212 до н. е.) — давньогрецький учений та інженер, більшу частину життя провів у Сиракузах на острові Сіцилія
Утім, щодо м’яча начебто й так зрозуміло, вода його виштовхує. А чи діє сила Архімеда на металеві тіла з великою густиною, які тонуть у воді? Про це можна дізнатися з досліду.
Металевий циліндр підвісили на нитці й помістили в пусту склянку (заповнену повітрям). У міру додавання води сила виштовхування зростає і вага циліндру зменшується, що можна зафіксувати на терезах.
Від чого залежить можливість плавати?
Ви вже, напевно, здогадалися, що один із чинників, який впливає на виштовхування тіла з рідини та можливість плавати на її поверхні, — це густина. А, точніше, різниця густин тіла та рідини.
На будь-яке тіло діє сила тяжіння, що залежить від його маси.
На занурене у воду тіло діє сила виштовхування.
Якщо виштовхування сильніше, ніж тяжіння — тіло плаває.
Якщо виштовхування слабше, ніж тяжіння — тіло тоне.
У деревини та корку густина менша, ніж у води, тож вони виштовхуються водою і плавають на ній. У корку густина значно менша, ніж у деревини, тож корковий кубик занурюється у воду значно менше, ніж дерев’яний. У металу густина більша, ніж у води, тож на металевий кубик діє сила тяжіння значно більша, ніж сила виштовхування.
ρтіла рідини — тіло спливає в рідині, поки не почне плавати на ній
ρтіла ≈ ρрідини — тіло плаває всередині рідини
Один із поширених на Землі матеріалів — деревина. У неї багато цінних властивостей, одна з яких — деревина не тоне у воді. Саме через це із сивої давнини кораблі для пересуванням морями й океанами будували з деревини.
Латунний важок плаває на поверхні ртуті.
У ртуті густина в 13,5 рази більша, ніж у води (порівняйте густини води, ртуті та латуні за Додатком 1). На поверхні ртуті плавають металеві тіла, які зазвичай тонуть у воді, зокрема тіла з латуні, алюмінію, заліза тощо.
Проте вже більше ста років для виготовлення кораблів використовують переважно залізо. Як же так? Густина заліза значно більша, ніж у води, тож залізні тіла мають потонути в морі. Чому ж кораблі із заліза не тонуть?
Відповідь так само «надасть» густина. Але для корабля слід оцінювати середню густину, з урахуванням того, що корабель має великий об’єм, який заповнений повітрям.
Порівняємо залізну кулю та корабель, виготовлений із заліза такої самої маси.
Якщо маса заліза в кулі та в кораблі однакова, то на них діє майже однакова сила тяжіння (у повітря, яким заповнений корабель, маса дуже маленька).
Але вони суттєво відрізняються густиною:
Маса повітря дуже маленька, нею можна знехтувати. Об’єм корабля набагато більший, ніж об’єм кулі.
Унаслідок різниці в об’ємах, середня густина корабля значно менша, ніж у кулі, тож на нього діє сила виштовхування (сила Архімеда) значно більша, ніж на кулю.
Через великий об’єм середня густина корабля не лише менша, ніж у залізної кулі, але й менша, ніж у води. Саме тому, на відміну від кулі, корабель не тоне. Звісно, якщо корабель заповнити водою, його середня густина стане більше, ніж у води, і він затоне.
Плавання у водоймах
Якщо у вас є досвід плавання у прісній і солоній воді, ви могли помітити, що в солоній воді легше триматися на поверхні. Густини прісної та солоної води відрізняються несуттєво (табл. 5.1).
Таблиця 5.1. Порівняння густини (кг/м 3 ) води й тіла людини
Прісна вода
Морська вода (у середньому)
Тіло людини
У разі повного вдиху ρ — від 940 до 990
У разі повного видиху ρ — від 1010 до 1070
Тіло людини значною мірою складається з води, тож густина нашого тіла майже така сама, як у води. Проте ці, хоч і невеликі, відмінності добре відчуваються під час плавання або пірнання.
Коли легені наповнені повітрям, густина тіла людини менша за густину води. До того ж, морська вода більш щільна, тому виштовхує тіло людини сильніше.
Ще більше різниця між силою виштовхування води різної солоності та температури позначається на кораблях. Це одна з причин, чому річкові й морські кораблі відрізняються за конструкцією.
В Ізраїлі розташоване Мертве море. Його вода настільки солона, що в ній не може жити жодна істота. Ця вода містить солей майже в 10 разів більше, ніж у середньому морська вода. Із цієї причини густина води цього моря набагато більша, ніж в морської води, — 1300-1400 кг/м 3 . Через це вода Мертвого моря виштовхує всі тіла значно сильніше, ніж вода інших водойм (мал. 5.2).
Мал. 5.2. Людина вільно тримається на поверхні Мертвого моря без докладання зусиль
Наскільки корабель буде занурений у воду, більше залежить від його навантаження. Якщо всі трюми корабля пусті (точніше, заповнені повітрям), то його середня густина найменша, і він занурений мінімально. У міру заповнення корабля вантажем, його середня густина збільшується, і він занурюється глибше.
Як видно з малюнка, за великого навантаження край борту корабля розташований дуже близько до води. Під час сильного коливання корабля або шторму, вода може потрапити всередину й спричинити затоплення. Аби запобігти такому прикрому випадку, на зовнішній бік борту наносять ватерлінію (від англ. water — вода), якою позначають максимально безпечне занурення корабля (з повним вантажем) (мал. 5.3 і 5.4).
Мал. 5.3. Ватерлінію позначають ззовні корабля контрастними фарбами, щоб її було добре видно
Мал. 5.4. Іноді також на ніс корабля наносять мітки, щоб було легко визначити, на яку глибину занурена його нижня частина
Змінювати середню густину тіла з метою триматися на різній глибині можуть і деякі риби. Звісно, вони не можуть брати додатковий вантаж, але можуть змінювати обсяг газів у своєму тілі. Для цього в риб є спеціальний орган — плавальний міхур (мал. 5.5).
Мал. 5.5. Усередині кісткових риб є плавальний міхур — спеціальний орган, заповнений газом, необхідний для підтримування їх плавучості
Головна задача міхура — підтримувати плавучість риби, щоб вона могла втримуватися на певній глибині без зусиль. Піднімаючись вище до поверхні водойми або занурюючись, риба може змінювати обсяг газів усередині міхура, а, отже, й середню густину, та підтримувати свою плавучість.
КЛЮЧОВА ДУМКА ПАРАГРАФА
На будь-яке тіло у воді діють сили тяжіння та виштовхування. Спливає чи потоне тіло — залежить від того, яка із сил більша.
ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ
50. Як довести існування сили виштовхування?
51. Як дізнатися, потоне тіло в рідині чи ні?
52. Схарактеризуйте залежність густини води від температури та наявності в ній розчиненої солі.
ІНФОРМАЦІЙНО-ПОШУКОВІ ЗАВДАННЯ
53. Що таке водотоннажність суден? Чому розміри суден, насамперед, характеризують водотоннажністю, а не масою або іншою характеристикою? Знайдіть інформацію про найбільші судна у світі. Складіть таблицю, де зазначте назви суден, водотоннажність і розміри.
54. Підготуйте повідомлення про один із різновидів річкових або морських суден, де зазначте особливості їх конструкції та застосування. На ваш вибір: пасажирська «ракета», пасажирський паром, суховантаж, нафтоналивний танкер, танкер для скрапленого газу, риболовне або рибопереробне судна тощо.
ЗАВДАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ В ГРУПАХ
55. Обговоріть, чому пляшки, зображені на малюнку, плавають по-різному.
До завдання 55
56. Зважаючи на дані Таблиці 5.1 обґрунтуйте, чому відрізняється середня густина тіла людини в разі повного вдиху або видиху.
57. Якщо людина спокійно тримається на поверхні води, то зазвичай її ноги розташовані трохи нижче рівня води, а грудна клітка — трохи вище. Поясніть це явище, зважаючи, що середня густина людського тіла може дещо відрізнятися в різних його частинах.
До завдання 57
58. Як ви вважаєте, у чому полягає принцип дії рятувального або плавального круга? Чому водні мандрівки обов’язково здійснюють із рятувальним жилетом?
59. Ось такий корабель для сухих вантажів можна побачити в порту міста Одеса. Який висновок можна зробити щодо наявності на ньому вантажу?
60. Напевно, ви бачили, як варять пельмені або вареники: їх кидають в окріп та кип’ятять 3-5 хвилин після спливання. А чому пельмені та вареники спливають під час варіння?
61. Здатність підводних човнів занурюватися глибоко під воду також ґрунтується на зміні середньої густини судна. Проаналізуйте малюнок і поясність, у який спосіб підводний човен спливає, занурюється та змінює глибину занурення.
62. Зважаючи на здатність риб змінювати глибину занурення, обговоріть, чи може будь-яка риба заглиблюватися на будь-яку глибину. Чи є обмеження або певний діапазон глибини її занурення? Відповідь підтвердьте прикладами.
63. Існує вираз «це лише верхівка айсберга». Зважаючи на малюнок і густини льоду й рідкої води, поясніть положення айсбергів у воді та наведений вираз.
ДОСЛІДЖЕННЯ
Дослідження плавання тіл
Якщо взяти лист фольги, зім’яти його та кинути у воду, він потоне. Проте, якщо виготовити із цієї фольги кораблик, він буде плавати й навіть витримувати навантаження.
Зробіть із листа фольги (приміром від шоколадки або харчової фольги в рулонах) кораблик будь-якої конструкції. На кшталт наведеної на малюнку або будь-якої іншої.
Помістіть свій «корабель» на водну поверхню, наприклад у миску з водою, та визначте, потоне він чи ні. Всередину кораблика помістіть будь-які важкі предмети (сталеві кульки, невеличкі цукерки, деталі від конструктора «Lego» тощо) та визначте вантажопідйомність вашого «судна».
Повторіть експеримент, але з такого самого листа фольги зробіть кораблик іншої форми (вищої, ширшої або геть іншої, на ваш вибір).
Зробіть висновок щодо можливості плавання тіл у воді.
Підготуйте презентацію із результатами експерименту.
Спостереження сили виштовхування
Дослідіть виникнення сили виштовхування, як це показано на малюнку на с. 34 (унизу). Для дослідження використайте предмети, виготовлені з різних матеріалів, приміром з алюмінію, заліза, скла, пластмаси тощо. А також різні рідини, приміром воду, розсіл, цукровий сироп, спирт (саліциловий або мурашиний), гас тощо.
Досліджуване тіло закріпіть на ручних пружинних вагах і занурюйте його в рідину. У спостереженнях відзначайте, як змінюються покази вагів. У висновках проаналізуйте:
Якщо мертві клітини не видалити вчасно, поверхня шкіри стане нерівною, колір тьмяним, а пори можуть…
Проводимо пальцем вздовж хребта та акуратно відокремлюємо філе від хребта. Також відокремлюємо хребет від іншої…
Сигаретні пачки формуються в блоки, як правило по 10 пачок у блоці, хоч і існують…
Ні, продати неприватизовану квартиру неможливо. Житлове приміщення надається у користування громадянам на підставі договору найму…
Дружина повинна підтримувати чистоту та порядок у квартирі, надавати дітям допомогу з домашнім завданням. Не…
Мокра бактеріальна гниль Захворювання активно розвивається в разі порушення умов зберігання (висока температура, вологість і…