XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Почему в солёной воде плавать легче, чем в пресной
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Интерес к данной работе возник у меня из личного опыта. Я люблю плавать и стараюсь делать это в самых разных условиях: зимой я посещал бассейн, летом купался в реке и в пруду, а также плавал в море. При этом я обратил внимание на то, что в море держаться на воде заметно легче, чем в пресной воде. Это проявляется даже тогда, когда не плывёшь активно, а просто лежишь на воде.
Сначала это наблюдение показалось мне лишь субъективным ощущением. Однако при повторении опыта в разных водоемах стало ясно, что разница действительно существует. Это вызвало у меня вопрос: почему в морской воде плавать легче, чем в пресной, и как можно это объяснить с точки зрения науки?
Плавание тел в жидкости
Обратившись к литературе, я понял, что мой вопрос относится к более общей научной проблеме, стоящей на стыке физики, химии и инженерных дисциплин – проблеме плавания тел в жидкости. Эта проблема имеет важное значение не только для объяснения плавания человека, но и для судостроения, мореплавания и инженерных расчетов.
Как отмечается в учебниках физики, способность тела плавать или тонуть определяется соотношением между его весом и выталкивающей силой жидкости [1, 4]. Именно на этом принципе основано плавание кораблей. Несмотря на огромную массу, корабли удерживаются на воде за счет большого объема и наличия воздуха внутри корпуса, что уменьшает их среднюю плотность.
Значение плотности жидкости для плавания тел
Г. С. Ландсберг в своём учебнике подчёркивает, что условия плавания зависят не только от свойств тела, но и от свойств жидкости, в частности от её плотности [2]. Это означает, что одно и то же тело может вести себя по-разному в разных жидкостях.
Плотность воды – важный физический параметр условий плавания. Плотность является одной из основных физических характеристик вещества. Она показывает, какая масса содержится в единице объёма. В учебниках указывается, что плотность пресной воды при обычных условиях составляет около 1000 кг/м³, а плотность морской воды больше из-за растворенных в ней солей [6].
Даже относительно небольшое увеличение плотности жидкости приводит к заметному изменению выталкивающей силы. В судостроении это хорошо известно: корабли имеют меньшую осадку в морской воде и большую – в речной. Эти различия обязательно учитываются при проектировании портов, судов и гидротехнических сооружений [5].
Таким образом, явление, которое я наблюдал во время купания, напрямую связано с теми же физическими законами, которые используются в кораблестроении.
При изучении научной литературы я узнал, что плотность воды важна не только для удобства плавания, но и для безопасности. В гидрофизике описаны ситуации, когда резкое уменьшение плотности воды может представлять опасность для судов.
В частности, в научных работах и учебниках по механике жидкости указывается, что наличие большого количества газовых пузырей в воде резко уменьшает её среднюю плотность [3, 5]. В такой среде выталкивающая сила уменьшается, и судно может потерять устойчивость или даже плавучесть. Этот эффект рассматривается как реальная физическая опасность.
Это пример показывает, что плотность воды – это важный параметр, от которого зависят условия плавания тел и безопасность.
Состав воды и растворенные вещества
Дальнейшее изучение темы привело меня к пониманию того, что вода в природе всегда содержит растворенные соли и газы. Ярким примером является морская вода, в которой растворено большое количество солей.
Растворение соли в воде относится к физико-химическим процессам. С одной стороны, оно подчиняется физическим законам, таким как сохранение массы. С другой стороны, при растворении происходят взаимодействия между частицами соли и молекулами воды, что относится уже к области химии [7].
Для данной работы важно отметить, что растворенная соль увеличивает массу воды, а объём при этом изменяется незначительно. В результате плотность раствора соли становится больше, чем плотность чистой воды. Эти сведения подтверждаются справочными данными и экспериментами [6].
Формирование темы исследования
Таким образом, начиная с простого наблюдения при плавании, я пришёл к более глубокому пониманию проблемы плавучести тел в жидкости. Я понял, что в основе наблюдаемого эффекта лежит закон Архимеда, а решающую роль играет плотность воды, зависящая от ее состава.
Это привело меня к выбору темы данной работы. Я решил экспериментально проверить, как изменяется действие выталкивающей силы в зависимости от солености воды, и показать, что даже простые эксперименты позволяют наглядно видеть эти фундаментальные законы физики.
В дальнейшем в работе рассматриваются теоретические основы силы Архимеда, а также приводятся результаты собственного эксперимента по сравнению действия выталкивающей силы в пресной воде и в насыщенном солевом растворе.
1Гипотеза, актуальность, задачи
Проблема плавучести тел имеет существенное значение для проектирования и обеспечения безопасности при проектировании судов, портовых и гидротехнических сооружений [5], а также важна для обеспечения безопасности на водах. Плавание в морской и пресной воде требует различных затрат сил пловца и пренебрежение этим различием может стать причиной несчастного случая. С учетом этих факторов понимание основ плавания тел в соленой и пресной воде является актуальным для обеспечения безопасности купания в водоемах, а также для решения инженерных задач проектирования [5].
Гипотеза: выталкивающая сила в соленой воде больше по сравнению с пресной. Это обеспечивает меньший вес тела в соленой воде – плавать легче, при этом увеличение в соленой воде выталкивающей силы Архимеда обусловлено большей плотностью соленой воды, чем пресной.
Цель работы:
Экспериментально доказать, что в соленой воде на тело действует большая выталкивающая сила, чем в пресной, и объяснить, почему в море плавать легче.
Задачи исследования:
1. Изучить научную и учебную литературу по теме силы Архимеда.
2. Рассмотреть понятие плотности жидкости и влияние солености на нее.
3. Узнать, что такое насыщенный раствор и как он получается.
4. Провести эксперимент по измерению веса тела в воздухе, пресной и солёной воде.
5. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.
Объект исследования: тело, погруженное в жидкость.
Предмет исследования: зависимость силы Архимеда от плотности и солености воды.
Методы исследования: анализ литературы, эксперимент, измерения, моделирование и расчеты с использованием средств вычислительной техники.
2Теоретические основы плавания тел в жидкости
Еще в древности ученый Архимед открыл закон, который объясняет, почему тела могут плавать в жидкости. Согласно этому закону, на любое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх. Эта сила называется силой Архимеда.
Сила Архимеда равна весу жидкости, вытесненной телом:
FA = ρ ⋅ g ⋅ V,
где
ρ – плотность жидкости,
g – ускорение свободного падения,
V – объём погружённой части тела.
Из формулы видно, что сила Архимеда зависит не только от объема тела, но и от плотности жидкости. Это означает, что в разных жидкостях одно и то же тело будет «весить» по-разному.
Важно понять, как соленость влияет на плотность воды. Плотность – это физическая величина, которая показывает, какая масса содержится в единице объема вещества.
Плотность пресной воды при комнатной температуре составляет примерно 1000 кг/м3.
Если в воде растворить соль, ее масса увеличится, а объем изменится незначительно. Поэтому плотность соленой воды становится больше. Именно по этой причине морская вода плотнее пресной.
Средняя плотность морской воды [9] составляет около 1025 кг/м3.
Это различие кажется небольшим, но его достаточно, чтобы заметно изменить силу Архимеда и сделать плавание более легким.
При добавлении соли в воду она растворяется не бесконечно. Существует предел, который называется растворимостью. Если соли становится слишком много, она перестает растворяться, и раствор становится насыщенным.
Для поваренной соли (NaCl) при температуре около 20 °C растворимость составляет примерно 36 г на 100 г воды. Это значение можно найти в справочной литературе [10] и проверить экспериментально – это сделано в работе.
3Методика и эксперименты
Оборудование и материалы
Для проведения эксперимента были использованы:
- тело, которое тонет в пресной и в соленой воде;
- кухонные электронные весы;
- пружинный динамометр;
- прозрачная емкость (стакан);
- вода;
- поваренная соль.
Методика эксперимента
Сначала я измерил вес тела в воздухе. Затем это же тело было полностью погружено в пресную воду, и его вес измерялся с помощью пружинного динамометра. После этого был приготовлен насыщенный солевой раствор, и измерения повторились.
Важно было следить, чтобы тело полностью находилось в жидкости и не касалось дна или стенок стакана. Для этого выбран прозрачный стакан, позволяющий наблюдать положение тела относительно поверхности жидкости, дна и стенок. Также было важно, чтобы вес тела был достаточным для обеспечения движения пружины динамометра. Для обеспечения свободного (без касаний стенок) и полного погружения тела размеры стакана были подобраны примерно вдвое большими чем размеры тела – шара. Фото эксперимента показано на рис.1, а его схема - на рис.2.
Рис.1. Фото экспериментальной установки
Рис.2. Схема экспериментальной установки (1 - емкость, 2 - жидкость, 3 - тело, 4 - пружинный динамометр)
Измерения выполнялись пружинным динамометром 4 после погружения тела 3 в жидкость 2 (пресная вода и насыщенный соляной раствор), находящуюся в емкости 1. Емкость использовалась прозрачная, а тело контрастной расцветки - для контроля отсутствия касания стенок и полноты погружения тела.
Эксперимент 1. Приготовление насыщенного солевого раствора
Массу воды определил прямым взвешиванием пустого и заполненного стакана на бытовых весах. Масса стакана с водой составила 469 г, а масса пустого стакана — 371 г. Следовательно, масса воды была равна:
469 − 371 = 98 г.
Для снижения погрешности каждое взвешивание было выполнено 5 раз, отклонений не выявлено, то есть погрешность в пределах цены деления весов 1 г.
В воду при комнатной температуре 20 °C добавляли соль постепенно порциями, дожидаясь растворения. Соли растворилось 37 г, после чего соль перестала растворяться. Это означает, что раствор стал насыщенным, а полученное значение хорошо совпадает с табличными данными.
Приготовленный насыщенный раствор использовался в следующем эксперименте.
Эксперимент 2. Определение веса тела в воздухе, пресной воде и насыщенном растворе поваренной соли в воде
В соответствии с методикой выполнены эксперименты по определению:
- массы тела,
- веса тела в трех средах: в воздухе, в пресной воде и в насыщенном растворе поваренной соли в воде.
Результаты эксперимента:
- Масса тела: 27 г
- Вес тела в воздухе: 0,26 Н
- Вес тела в пресной воде: 0,10 Н
- Вес тела в соленой воде: 0,08 Н
4Анализ экспериментальных результатов и их сопоставление с теорией
Для подтверждения корректности показаний динамометра вычислили вес тела как P = m ⋅ g, где
m – масса тела,
g – ускорение свободного падения.
Рассчитанное значение P = 0,26 Н соответствует измеренному динамометром весу в воздухе, то есть показания динамометра корректны.
Для анализа результатов эксперимента выталкивающая сила (сила Архимеда) определялась как разность между весом тела в воздухе и его измеренным весом в жидкости.
FA = FВ − FЖ,
где Fв – вес тела в воздухе,
Fж – вес тела в жидкости.
Для полученных данных для пресной воды:
FA = 0,26 − 0,10 = 0,16 Н
Для солёной воды:
FA = 0,26 − 0,08 = 0,18 Н
Получено, что в пресной воде выталкивающая сила составляет примерно 0,16 Н, а в насыщенном солевом растворе – около 0,18 Н. Таким образом, сила Архимеда в солёной воде оказалась больше на 0,02 Н, чем в пресной.
Сравнение этих значений показывает, что выталкивающая сила в солёной воде примерно в 1,12 раза больше, чем в пресной. Хотя абсолютная разница кажется небольшой, для данного эксперимента она является заметной и устойчивой. Измерения повторялись при одинаковых условиях, и во всех случаях вес тела в соленой воде оказывался меньше, чем в пресной.
Важно учитывать, что любые измерения имеют погрешности. В данном эксперименте основными источниками погрешности были:
- ограниченная точность динамометра;
- колебания тела в жидкости;
- возможные неточности при отсчете показаний.
Для снижения погрешностей использовались следующие методы:
- повторные (многократные) измерения – проводилось по 5 замеров;
- выдержка по времени после погружения чтобы уменьшились колебания жидкости – замеры выполнялись спустя две минуты после погружения, визуально колебания уже не наблюдались;
- емкость размещалась на массивной поверхности кухонного стола, чтобы избежать колебаний со стороны поверхности.
С учётом рассмотренных погрешностей и принятых мер по их снижению разница в 0,02 Н превышает возможную ошибку измерений. Это позволяет считать полученный результат значимым, а не случайным. Следовательно, экспериментально подтверждается, что увеличение плотности жидкости приводит к увеличению выталкивающей силы.
Полученный результат полностью согласуется с теоретической формулой силы Архимеда, согласно которой выталкивающая сила пропорциональна плотности жидкости – проведен расчет при помощи написанной на Python программы (Приложение 1).
Несмотря на то, что экспериментальная разница оказалась несколько больше теоретической, оба значения имеют одинаковый порядок величины и совпадают по направлению изменения. Это подтверждает, что увеличение плотности жидкости действительно приводит к увеличению выталкивающей силы.
Небольшое расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями может быть связано с погрешностями измерений, а также с тем, что в эксперименте использовался насыщенный солевой раствор, плотность которого могла превышать среднее значение плотности соленой морской воды.
Связь результатов с плаванием кораблей
Тот же самый физический принцип используется при плавании кораблей. Разница заключается лишь в масштабах: вместо небольшого шара рассматривается корпус судна, а вместо стакана – пресный водоем или море. Тем не менее, физический закон остаётся тем же самым.
Чтобы наглядно показать влияние плотности воды на плавание крупных тел, было выполнено простое численное моделирование с использованием языка программы на языке Python (Приложение 2). Корабль в модели рассматривался как прямоугольный параллелепипед с заданной длиной, шириной и массой. Осадка корабля определялась из условия равенства веса судна и выталкивающей силы воды.
В расчётах использовался диапазон плотностей воды от пресной до соленой морской. Результаты моделирования, приведенные на рис.3, показали, что при увеличении плотности воды осадка корабля уменьшается. Это означает, что в более плотной воде корабль погружается меньше.
Рис.3. Зависимость осадки корабля от плотности воды (результаты численного моделирования)
5Заключение
В ходе выполнения работы были изучены основы физической теория плавания тел в жидкости, проведены эксперименты по приготовлению насыщенного раствора поваренной соли в воде, по определению силы Архимеда в жидкости разной плотности – пресной и соленой воде. Эксперимент показал, что мои наблюдения во время плавания были верными: в соленой воде действительно легче держаться на поверхности. Подтверждена гипотеза, что соленая вода более плотная и потому выталкивающая сила, действующая на тело в такой воде, больше, чем в пресной. Поэтому плавать в ней легче. Проведено численное моделирование осадки корабля в зависимости плотности воды (разной степени солености).
Работа помогла мне лучше понять, как законы физики проявляются в обычной жизни. Я убедился, что даже простые эксперименты могут наглядно объяснить сложные явления. И теперь я понимаю точно, что физика выталкивающей силы помогает плавать в водоемах с соленой водой сильнее, чем в водоемах с пресной. Это позволит быть аккуратнее при купании и сделает их более безопасными.
6Список литературы
1. Перышкин А. В. Физика. 7 класс: учебник для общеобразовательных организаций. — М.: Дрофа, 2020.
2. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. Том 1. Механика. Молекулярная физика. — М.: Наука, 2018.
3. Савельев И. В. Курс общей физики. Том 1. Механика. Молекулярная физика. — СПб.: Лань, 2020.
4. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М.: Наука, 2017.
5. Хайкин С. Э. Физические основы механики. — М.: Физматлит, 2016.
6. Глинка Н. Л. Общая химия. — М.: Интеграл-Пресс, 2019.
7. Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. — Л.: Химия, 1991.
8. Физическая энциклопедия: в 5 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
9. Woods Hole Oceanographic Institution. Temperature, Density and Salinity [Электронныйресурс]. — URL: https://www.whoi.edu/ocean-learning-hub/multimedia/temperature-density-and-salinity/ (датаобращения: 15.12.2025).
10. CRC Handbook of Chemistry and Physics. — Boca Raton: CRC Press, 2021.
Приложение 1. Программа для расчета соотношения силы Архимеда для пресной и соленой воды
# Экспериментальные значения силы Архимеда
FA_f = 0.16 # Н — пресная вода
FA_s = 0.18 # Н — соленая вода
# Отношение сил Архимеда в соленой и пресной воде, как в эксперименте
force_r = FA_s / FA_f
# Плотности справочные
rho_f = 1000 # кг/м3 — пресная вода
rho_s = 1025 # кг/м3 — соленая вода
# Отношение плотностей
density_r = rho_s / rho_f
print("Отношение сил Архимеда:", force_r)
print("Отношение плотностей:", density_r)
# Результаты выполнения программы:
# Отношение сил Архимеда: 1.125
# Отношение плотностей: 1.025
Приложение 2. Программа моделирования осадки корабля
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
# Параметры корабля - данные среднего грузового корабля
l = 200 # длина корабля, м
w = 35 # ширина корабля, м
m = 50000000 # масса корабля 50 000т, кг
g = 9.8 # ускорение свободного падения, м/с2
# Плотности воды от пресной к солёной
rhos = np.array([1000, 1005, 1015, 1025, 1030]) # кг/м3
# Расчёт осадки
drafts = m / (rhos * l * w)
# Вывод результатов расчета
print("Плотность воды (кг/м3) — Осадка корабля (м)")
for rho, d in zip(rhos, drafts):
print(rho,"кг/м3 — ",d," м\n")
# График
plt.figure()
plt.plot(rhos, drafts, marker='o')
plt.xlabel("Плотность воды, кг/м³")
plt.ylabel("Осадка корабля, м")
plt.title("Зависимость осадки корабля от плотности воды")
plt.grid(True)
plt.show()