Исследование безопасности туристского снаряжения, используемого в водных походах

Сила Архимеда. Условия плавания тел.

Зависимость давления в жидкости ил газе от глубины приводят к возникновению выталкивающей силы, действующей на любое тело, погружённое в жидкость или газ. Эту силу называют архимедовой силой.

Если прямоугольный параллелепипед высотой h и площадью основания S погружён в жидкость плотностью p, то силы давления жидкости на его боковые грани уравновешиваются, а равнодействующая сил давления снизу F2 и сверху F1 отлична от нуля и является архимедовой силой:

FA = F2 - F1,

FA = p2S – p1S = pgh2S – pgh1S = pgS (h2 – h1) = pgSh (где p – вес, а p – плотность жидкости)

Так как Sh = V, а pV = m, то FA = mg, где m – масса вытеснённой жидкости.

Сила, выталкивающая погружённое в жидкость (или газ) тело, равна весу жидкости (или газа), вытесненной телом: FA = mg = pVg

Архимедова сила направлена противоположно силе тяжести; поэтому вес тела при взвешивании в жидкости или газе оказывается меньше веса, измеренного в вакууме.

Условия плавания тел. На тело, находящееся в жидкости или газе, в обычных земных условиях действуют 2 противоположно направленные силы: Fтяж и FA. Если сила тяжести по модулю больше архимедовой силы, то тело опускается вниз – тонет.

Если модуль силы тяжести равен модулю архимедовой силы, то тело может в равновесии на любой глубине.

Если архимедова сила по модулю больше силы тяжести, то тело поднимается вверх – всплывает. Всплывшее тело частично выступает над поверхностью жидкости; объём погружённой части плавающего тела таков, что вес вытесненной жидкости равен весу плавающего тела.

Физические основы безопасности в водном походе

Сила тяжести, действующая на тело человека, больше выталкивающей силы. Попадая в воду, человек испытывает страх и воздействие холодной воды. Всё это приводит к уменьшению объема тела, а следовательно и выталкивающей силы. Спасательный жилет является универсальным средством поддержания туриста на плаву, почти в вертикальном положении - автономно, то есть независимо от его действий.

Основной характеристикой спасательного жилета является его подъемная сила, определяемая объемом его надувных емкостей или объемом пенопласта, заполняющего карманы. В туристской практике встречаются спасательные жилеты заводского производства, с зашитыми в них брусками пенополиуретана (или пенопласта). Такие спас. жилеты можно использовать только в походах первой – второй категории сложности. Для более сложных походов рекомендуются спас. жилеты, которые выполнены в виде жилета, на котором нашиты карманы для емкости. Объем наспинных емкостей немного больше объема нагрудных. Спереди жилет имеет застежку. Для поддержания жилета на теле имеются одна или две паховые тесьмы (или ремни). Спас. жилет должен создавать поддерживающую силу. Поддерживающая сила – это равнодействующая выталкивающей силы и силы тяжести, действующие на тело человека и спасательный жилет.

Туристы нашей школы для своих путешествий используют катамараны.

Катамараны сравнительно недавно появились в водном туризме, однако очень быстро получили широкое распространение. Катамаран – это двухкорпусное судно состоящее из 2-х продольно расположенных надувных поплавков (гондол) и соединяющего их каркаса (рамы). Катамараны могут быть двух- и четырёхместные Катамаран пригоден для спортивных и семейных походов любой категории сложности, он прост в управлении и в несложных походах нечувствителен к небольшим ошибкам управления. В сложных походах, оборудованный приспособлениями для удержания гребца в канойной стойке, он позволяет с использованием приёмов водного слалома выполнять самые сложные манёвры на бурной воде. Катамаран является сейчас самым надёжным средством активной страховки в сложных и опасных препятствиях.

Недостатками катамарана являются недостаточная защищённость гребцов от воздействия валов (как и на плоту) и высокая парусность судна, что сильно сказывается при сильных ветрах на открытых водоёмах и в нижнем течении рек.

Каркас катамарана, как и любого судна, является элементом, обеспечивающим жёсткость судна. Кроме того, в случае катамарана, он является платформой для посадки гребцов и укладки груза. Наиболее распространённая форма каркаса – плоский прямоугольник, связанный из 4-ёх продолен и не менее чем из 4-ёх поперечин. Имеется также 1 или 2 диагональных элемента – укосины.

Каркасы подразделяются на нестационарные, изготавливаемые прямо на месте начала сплава и стационарные, изготавливаемые заранее в городе и собираемые на месте начала сплава. Нестационарные каркасы изготавливаются из сухих или сырых деревянных жердей, заготавливаемых в лесу. Стационарные каркасы собираются из отрезков труб из твёрдого алюминиевого сплава диаметром 40 – 45 мм и толщиной стенки 1,5 – 2 мм.

Симметричные надувные гондолы, закреплённые вдоль каркаса, обеспечивают необходимую грузоподъёмность и запас плавучести судна, поддерживают каркас над водой, обуславливают высокую степень поперечной остойчивости (за счёт предельного разнесения гондол по бортам) и удовлетворительную степень продольной остойчивости (за счёт достаточного выступания гондол за передний и задний края каркаса). Гондолы могут быть выполнены однослойными или двухслойными. Однослойная гондола выполняется из прочного и достаточно толстого дублированного прорезиненного материала.

Двухслойная гондола состоит из 2 частей – внутреннего баллона из лёгкой прорезиненной ткани, выполняющего задачу воздухонепроницаемости и сохранения заданного объема, и наружной оболочки из прочной прорезиненной или с ПВХ покрытием ткани, являющейся силовым элементом, сохраняющим форму гондолы и её прочность. Для уменьшения массы гондолы верхняя часть оболочки, не находящаяся в воде, может быть выполнена из капронового авизента или более лёгкого капрона. Оболочка сшивается капроновыми нитками. Баллон склеивается в форме прямого мешка или в форме, повторяющей форму оболочки с увеличением размеров на 3-5%. Гондола 4-ёхместного катамарана имеет объём 600-1000 дм3, длину 4,5 - 5,5 м и наибольший диаметр 45 – 60 см.

В катамаранах, используемых в походах 5-ой и 6-ой категории сложности, гондола состоит из 2-х независимых отсеков разделённых конусной мембранной.

В школьных катамаранах гондола состоит из одного баллона, помещаемого в оболочку. Гондолы катамаранов различаются формой. Самая простая форма – цилиндр с тупыми концами. Хотя эта форма даёт наибольший объём при заданных длине и диаметре, катамаран с такими гондолами не будет иметь ни ходкости, ни манёвренности, будет застревать в бочках. Если окончания гондол закруглить, мореходные качества катамарана заметно улучшатся. Если придать гондолам веретенообразную форму, то есть в носу сделать быстрое нарастание, а в корме – медленное уменьшение диаметра, то мореходные качества катамарана будут почти идеальными.

Для сравнительной оценки туристических судов рассмотрим их мореходные качества. Под мореходностью понимают некоторую совокупность эксплуатационных качеств судна, которые обеспечивают безопасность его плавания в определенных условиях (высота волн, сила ветра и др. ). главные из них – это запас плавучести, непотопляемость, ходкость, поворотливость, остойчивость, и устойчивость на курсе.

Под плавучестью судна понимают его способность плавать с заданной осадкой, неся на себе груз и экипаж. Для того чтобы судно, находящееся без движения на спокойной воде не тонуло, необходимо силу тяжести, которая является равнодействующей сил тяжести экипажа, груза и самого судна, приложенную в точке центра тяжести ЦТ и направленную вертикально вниз уравновесить поддерживающей силой плавучести. Она слагается из всех сил гидростатического давления воды на корпус судна, направлена вертикально вверх и приложена в центре плавучести, который называют центром величины ЦВ. Эта точка совпадает с центром тяжести воды, вытесненной судном, т. е. центром водоизмещения.

Для того чтобы противодействовать погружению корпуса при крени, обеспечить всхожесть судна на волны, оно должно иметь определенный запас плавучести.

Запас плавучести: А = Vп-V / V * 100%, где Vп – полный объем гондол, V – объем судна по ватерлинию. Запас плавучести выражается в %. Запас плавучести катамаранов может быть сделан как угодно большим, за счет увеличения размеров гондол, но при этом возможна потеря управляемости.

Непотопляемость туристский судов обеспечивается достаточным запасом плавучести. Для катамаранов запас плавучести, равный 100%, оказался критической величиной с точки зрения и поперечной остойчивости. Остойчивость – способность судна, выведенного внешними силами из равновесия, вновь возвращается в это положение после прекращения их действия. Это одно из важнейших свойств туристских судов, ибо очень многие катастрофы на воде начинались опрокидыванием. Чтобы быть готовым к опрокидыванию, важно знать реальную меру остойчивости своего судна.

Сущность остойчивости веса удобно уяснить на примере цилиндрического поплавка, полностью погруженного в воду, с центром тяжести, смещенным относительно его продольной оси.

Когда момент силы F создаст крен на угол, то сила тяжести создаст противодействующий момент M = mg * L, где L – плечо остойчивости. Чем больше расстояние между точками ВТ и ТЦ, тем больше плечо остойчивости, а его величина зависит от объема гондол, т. е. запаса плавучести.

Из туристской практики известно, что суда, имеющие большую остойчивость (катамараны и плоты), чаще всего опрокидываются, когда упираются бортом в какую-либо опору, например камень, стоячий вал. Рассмотрим случай, когда на погруженную в воду гондолу набегает поток. Оценим силу, которая действует со стороны потока на катамаран, который упирается в камень одной гондолой. Динамическое давление р = 50g * V2 , где V – скорость воды (формула взята из книги «Водный туризм»). При скорости 5м/с динамическое давление равно12500Па, если длина катамарана 4 м, а гондолы имеют квадратное сечение 0,5*0,5м (для простоты расчетов), то сила, действующая со стороны потока на катамаран равна F=P*S, где S – площадь гондолы.

S = 0,5 *4 = 2 (м2)

F = 12500 Па * 2 м2 = 25000 Н

Эта сила на плече L2 создает топящий момент, который в несколько раз превзойдет поддерживающий момент, при этом произойдет опрокидывание судна, т. к. сила гидродинамического давления потока может в несколько раз превзойти максимальную силу поддержания при запасе плавучести 100-200%, поэтому для путешествия по сложным рекам делают запас плавучести 500-700%.

Экспериментальная часть

1. Способы определения объёма тела

Я использовал «метод вытеснения». Наливаю в ванную воды, делаю отметку уровня воды на стенке ванны. Погружаюсь, делаю отметку нового уровня воды.

1 способ:

Литровой банкой вычерпываю воду из ванны до прежнего уровня. Считаю количество банок с водой. Нахожу объём тела.

2 способ:

Откроем кран в ванной так, чтобы вода лилась не очень сильно, и подставим литровой сосуд под струю. С помощью секундомера определим, за какое время вода наполнит сосуд доверху. Пусть вода течёт с прежней скоростью. Запишем время, за которое вода заполнила промежуток от одной отметки до другой. Зная, за какое время наполняется литровая банка, найдём объём воды, вытесненный телом.

2. Определение силы Архимеда и силы тяжести, действующей на человека, погруженного в воду.

1. найдём время заполнения водой литровой банки: t1=20 сек

2. время заполнения ванной от одной отметки до другой: t=820 сек

3. объём воды, равный объёму тела:

V=tV1 / t1 = 780*1 / 20 = 39 (л)

4. сила Архимеда равна:

FA = pводы g V

5. сила тяжести равна:

Fтяж = mg

6. результаты измерений, полученные мною и учениками моего класса, я занёс в таблицу.

ТАБЛИЦА №1

Масса тела Сила тяжести Время наполнения Объём тела Выталкива -ющая сила Поддержи –

кг mg, H сек FA, , H вающая сила

FA - mg, H

42 420 780 39 39 * 10-3 390 30

42 420 800 40 40 * 10-3 400 20

52 520 960 48 48 * 10-3 480 40

53 530 1000 50 50 * 10-3 500 30

40 400 740 37 37 * 10-3 370 30

38 380 700 35 35 * 10-3 350 30

Проанализировав, данные таблицы, я сделал вывод, что сила тяжести, действующая на тело больше выталкивающей силы, поэтому человек тонет. При этом он испытывает страх и переохлаждение, что приводит к сокращению мышц, а значит к уменьшению объёма тела и выталкивающей силы. Значит, для спасения необходим спасательный жилет!

3. Определение объёмов ёмкостей спасательных жилетов.

Индивидуальное спасательное снаряжение должно удержать туриста на плаву в близком к вертикальному положению, в том числе во вспененной воде, защитить от переохлаждения и ударов о камни. Оно изготовляется из материала яркой расцветки, в виде безрукавки с карманами для ёмкостей

В водных походах в нашей школе используются спасательные жилеты 2-х видов:

1. фирм «Тритон» и «Октопус», выполненные из прочной капроновой ткани и заполненные пенополиуретаном

2. фирмы «Солнышко» и самодельные надувные жилеты, пошитые самими ребятами . В таких жилетах используется ёмкости, склеенные из специальной прорезиненной ткани. Жилеты имеют 4 кармана, в которые вставляются 4 ёмкости – 2 сзади и 2 – спереди. Ёмкости имеют разный объём.

Я определил объём задних и передних ёмкостей школьных спасательных жилетов.

Ход работы:

1. освободил из спасательного жилета надувные подушки;

2. наполнил их воздухом;

3. взял ёмкость (ведро V=20 л. ), на ½ наполнил водой и отметил уровень воды маркером;

4. погрузил в ёмкость с водой одну из 4-х подушек спасательного жилета и отметил уровень воды маркером;

6. вынул подушку и мерной кружкой (V=1 л. ) долил воду от 1-ой до 2-ой метки, считая кол-во кружек. Так я нашёл объём одной подушки.

Аналогичные операции я проделал с каждой из подушек спасательного жилета фирмы «Солнышко» и самодельного жилета.

Получил следующие данные:

ТАБЛИЦА №2

Объём ёмкости

Фирма «Солнышко» Самодельный

Задние ёмкости 2 * 8 = 16 2 * 9 = 18

Передние ёмкости 2 * 6 = 12 2 * 7 = 14

Общий объём

(Спас. жилета) 28 32

Объём наспинных ёмкостей больше чем объём передних ёмкостей, для того чтобы человек, оказавшийся в воде сразу перевернулся на спину и дыхательные пути оказались над поверхностью воды, дальше человек сплавляется ногами вперёд, чтобы можно было уходить от камней и других препятствий. Объём самодельных спасательных жилетов больше чем у спасательных жилетов фирмы «Солнышко», значит жилеты изготовленные ученицами нашей школы создают большую выталкивающую силу и смогут поддержать человека большей массы.

Данные таблицы позволяют сделать вывод, чтоэти спасательные жилеты соответствуют требованиям безопасности походов 5-6 категории сложности.

4. Определение поддерживающей силы школьных спасательных жилетов.

Для определения поддерживающей силы необходимо:

1. измерить объём спасательных жилетов;

2. вычислить силу Архимеда по формуле FA = pвgV;

3. определить с помощью весов массу спасательных жилетов;

4. вычислить силу тяжести, действующую на спасательные жилеты Fтяж = mg;

5. определить поддерживающую силу F=FA-mg;

6. я выяснил, сможет ли спасательный жилет удержать человека. Результат измерений и вычислений я занёс в таблицу.

ТАБЛИЦА №3

Время наполнения водой Время наполнения объём Вытал-киваю-щаяПоддер-живаю-щая

Фирма производитель Масса жилета Сила тяжести банки (V=1л) между отметками сила Н сила Н

Сек сек кг Н

4-хместный катамаран

5 0,3 2,8 2,52

4-хместный катамаран Павлиновых

4,2 0,24 1,52 1,37

2-хместный катамаран

4 0,26 1,7 1,19

5. я оценил массу судна с экипажем, грузом, для того чтобы определить объём погруженной части судна. При этом я взял среднюю массу членов экипажа в возрасте 12-16 лет. Выяснил, что на каждого человека в водном походе должно приходиться по 1 кг продуктов. Расчёты проводил для похода продолжительностью 15 дней. На каждом катамаране должен быть общественный груз: палатки, тент, набор для ремонта, топор, пила, аптечка, личные вещи.

ТАБЛИЦА №5

Масса 2-х оболочек Масса 2-х баллонов Масса рамы кг кг

4-хместный 0,40 2,52 530

катамаран

4-хместный катамаран Павлиновых 0,38 1,33 250

2-хместный катамаран 0,21 1,19 466

Данные таблицы позволяют считать катамараны, используемые туристами-водниками нашей школы, надежными. Так как запас плавучести у них достаточен для категорийных походов Даже при разрыве одной гондолы запас плавучести достаточен для того, чтобы удержаться на плаву.