Под водой она мала

Архимедова сила: что это такое и как действует

Рассказываем, почему железные корабли не тонут, а воздушные шары летают, что такое «эврика» и при чём здесь Дональд Дак.

Гениальный учёный Архимед, живший в древнегреческих Сиракузах в III веке до нашей эры, прославился среди современников как создатель оборонительных машин, способных перевернуть боевой корабль. Другое его изобретение, «Архимедов винт», по сей день остаётся важнейшей деталью гигантских буровых установок и кухонных мясорубок. Мир обязан Архимеду революционными открытиями в области оптики, математики и механики.

Его личность окутана легендами, порой весьма забавными. С одной из них мы и начнём нашу статью.

«Эврика!» Открытие закона Архимеда

Однажды царь Сиракуз Гиерон II обратился к Архимеду с просьбой установить, действительно ли его корона выполнена из чистого золота, как утверждал ювелир. Правитель подозревал, что мастер прикарманил часть драгоценного металла и частично заменил его серебром.

В те времена не существовало способов определить химический состав металлического сплава. Задача поставила учёного в тупик. Размышляя над ней, он отправился в баню и лёг в ванну, до краёв наполненную водой. Когда часть воды вылилась наружу, на Архимеда снизошло озарение. Такое, что учёный голышом выскочил на улицу и закричал «Эврика!», что по-древнегречески означает «Нашёл!».

Он предположил, что вес вытесненной воды был равен весу его тела, и оказался прав. Явившись к царю, он попросил принести золотой слиток, равный по весу короне, и опустить оба предмета в наполненные до краёв резервуары с водой. Корона вытеснила больше воды, чем слиток. При одной и той же массе объём короны оказался больше, чем объём слитка, а значит, она обладала меньшей плотностью, чем золото. Выходит, царь правильно подозревал своего ювелира.

Так был открыт принцип, который теперь мы называем законом Архимеда:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела.

Эта выталкивающая сила и называется силой Архимеда.

Формула силы Архимеда

На любой объект, погружённый в воду, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, вес объекта, погружённого в воду, будет отличаться от его веса в воздухе в меньшую сторону. Разница будет равна весу вытесненной воды.

Чем больше плотность среды — тем меньше вес. Именно поэтому погрузившись в воду, мы можем легко поднять другого человека.

Выталкивающая сила зависит от трёх факторов:

• плотности жидкости или газа (p);
• ускорения свободного падения (g);
• объёма погружённой части тела (V).

Сопоставив эти данные, получаем формулу:

Как действует сила Архимеда

Поскольку сила Архимеда, действующая на тело, зависит от объёма его погружённой части и плотности среды, в которой оно находится, можно рассчитать, как поведёт себя то или иное тело в определённой жидкости или газе.

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Если плотности тела и жидкости или газа равны — тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа.

Если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа, — оно уйдёт на дно.

Сила Архимеда в жидкости: почему корабли не тонут

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет.

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган — плавательный пузырь.

На тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу.

Но чтобы поднять корабль на поверхность, необходимо уменьшить его плотность. Разумеется, воздух в получившем пробоину корпусе не удержится. Поэтому его заполняют каким-нибудь лёгким веществом, например, шариками пенополистирола.

Примечательно, что эта идея впервые пришла в голову не учёным, а авторам диснеевского комикса, в котором Дональд Дак таким образом поднимает со дна яхту Скруджа Макдака. Датский инженер Карл Кройер (Karl Krøyer), впервые применивший метод на практике, по собственному признанию вдохновлялся «Утиными историями».

Сила Архимеда в газах: почему летают дирижабли

В воздухе архимедова сила действует так же, как в жидкости. Но поскольку плотность воздуха обычно намного меньше, чем плотность окружённых им предметов, выталкивающая сила оказывается ничтожно мала.

Впрочем, есть исключения. Воздушный шарик, наполненный гелием, стремится вверх именно потому, что плотность гелия ниже, чем плотность воздуха. А если наполнить шар обычным воздухом — он упадёт на землю. Плотность воздуха в нём будет такая же, как у воздуха снаружи, но более высокая плотность резины обеспечит падение шарика.

Этот принцип используется в аэростатах — воздушные шары и дирижабли наполняют гелием или горячим воздухом (чем горячее воздух, тем ниже его плотность), чтобы подняться, и снижают концентрацию гелия (или температуру воздуха), чтобы спуститься. На них действует та же выталкивающая сила, что и на подводные лодки. Именно поэтому перемещения на аэростатах называют воздухоплаванием.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72021 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается архимедова сила.

Когда сила Архимеда не работает

• Если тело плотно прилегает к поверхности. Если между телом и поверхностью нет жидкости или газа — нет и выталкивающей силы. Именно поэтому подводным лодкам нельзя ложиться на илистое дно — мощности их двигателей не хватит, чтобы преодолеть давление толщи воды сверху.
• В невесомости. Наличие веса у жидкости или газа — обязательное условие для возникновения архимедовой силы. В состоянии невесомости горячий воздух не поднимается, а холодный не опускается. Поэтому на МКС создают принудительную конвекцию воздуха с помощью вентиляторов.
• В растворах и смесях. Если в воду налить спирт, на него не будет действовать сила Архимеда, хотя плотность спирта меньше плотности воды. Поскольку связь между молекулами спирта слабее, чем связь молекул воды, он растворится в воде, и образуется новая жидкость — водный раствор спирта.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Попробовать бесплатно

Интересное по рубрике

Найдите необходимую статью по тегам

Подпишитесь на нашу рассылку

Мы в инстаграм

Домашняя онлайн-школа
Помогаем ученикам 5–11 классов получать качественные знания в любой точке мира, совмещать учёбу со спортом и творчеством

Посмотреть

Рекомендуем прочитать

Реальный опыт семейного обучения

Звонок по России бесплатный

Пишите нам письма

Посмотреть на карте

Если вы не нашли ответ на свой вопрос на нашем сайте, включая раздел «Вопросы и ответы», закажите обратный звонок. Мы скоро свяжемся с вами.

Источник

Одинокая королева. Как жила, ставила рекорды и погибла лучшая ныряльщица мира

Детский тренер Наталья Молчанова в 36 лет прошла через нервный развод, а потом начала новую жизнь и стала чемпионкой в экстремальном спорте.

Чемпион мира Алексей Молчанов в этом учебном году начинает преподавать фридайвинг в Российском госуниверситете физкультуры. Здесь ещё помнят уроки его матери Натальи Вадимовны, легендарной спортсменки, первой из россиянок установившей несколько мировых рекордов по экстремальному погружению.

Её называли королевой фридайвинга — подводного плавания без использования вспомогательных средств. Н а одном вдохе она делала под водой то, что не удавалось никому из женщин. Опускалась на 101 метр в глубину моря, задерживала дыхание более чем на 9 минут. Выигрывала каждый чемпионат, в котором участвовала.

Год назад Наталья совершила последний нырок — и скрылась в море навсегда. Тело так и не нашли. Её таинственная смерть была похожа на её удивительную жизнь: снова никто не понял, как она сделала это.

Муж ушёл от Натальи в конце 90-х. Она работала обычным детским тренером по плаванию в Волгограде. Три года депрессии — и вот ей уже 39. Двое детей-подростков, зарплата на уровне прожиточного минимума.

Однажды в журнале ей попалась статья о фридайвинге. Красивом, интересном и необычном мире. Она прочитала, как на глубине без воздуха меняется восприятие мира. Затаиваешь дыхание — и ощущаешь космос и вечность.

Наталья отыскала московский телефон автора статьи и основоположницы фридайвинга в России Юлии Петрик. Уже через месяц, в мае 2002 года, она летела к ней на базовый курс в египетский Дахаб, облюбованный фридайверами разных стран курорт на Красном море.

Вскоре выяснилось, что к этому виду спорта у Молчановой феноменальная предрасположенность. Через год она установила первые два рекорда России, а за следующие 13 лет — 42 рекорда мира.

А оставалась бы счастливой женой — и не узнала бы своего главного таланта.

Первая глубина

Наташе было три, когда её шестилетняя сестра Рина чуть не утонула в уральской реке. Их семья тогда жила в Уфе. После происшествия родители отдали обеих девочек в бассейн, чтобы научить плавать. В пять лет Наташа там впервые нырнула. И восхитилась, как её накрывает вода, а сверху появляется галактическая спираль.

В начальных классах она уже легко преодолевала бассейн в 25 метров брассом на одном вдохе. Схожие с нырянием ощущения испытывала в горах, на высоте 3500 метров, во время детских походов спокойно забиралась туда, где у инструкторов кружилась голова. В обеих стихиях недостаток воздуха скорее манил её, чем пугал.

Однажды селевой поток смыл их альпинистский лагерь — и Наташа разлюбила горы. Зато в бассейне к третьему классу перешла на режим две тренировки в день. В старших классах решила заниматься плаванием профессионально. По окончании школы подруга уговорила вместе поступать в Волгоградскую академию физической культуры. Родители не были против, девушки уехали. В городе на Волге она к 20 годам доплавалась до мастера спорта, но на чемпионский уровень не вышла.

На пятом курсе на соревнованиях познакомилась с Олегом. Он учился на инженера, а плаванием просто увлекался. Любовь перевесила желание быть спортсменкой, и Наталья вышла замуж. Родила в 1985-м дочь Оксану, а ещё через два года — сына Лёшу. Из декрета вышла работать детским тренером.

Оксану взяла в свою секцию в два года, Лёшу — в три. Дочь в бассейне скучала, а сын увлёкся. Представьте, что за вами плывёт страшная зубастая акула, и уплывайте изо всех сил, говорила Наталья. Мотивация срабатывала, и победители получали фломастеры.

Верхнее фото слева – Наталья и ее старшая сестра Рина. На остальных – дети Натальи, Леша и Оксана.

Фото из семейного архива Молчановых.

Наталья подошла к развитию детей со спортивным упорством. Отправляла их в другие спортивные секции, на уроки танцев, рисования. Учёба в лучшей гимназии города, игра на скрипке. Во время путешествий совершала с детьми спринтерские забеги по музеям, театрам и филармониям.

Каждое лето они ездили на Чёрное море. Брали ласты, маски и уходили на дикий пляж нырять, смотреть на рыб и водоросли. Мама с сыном погружались за рапанами и мидиями. Она всегда заплывала дальше любого мужчины в компании и поднимала с глубины самого большого краба.

Олег до распада Союза работал инженером на судостроительном заводе, а в 90-е занялся бизнесом. В воспитании детей практически не принимал участия. Дети всё чаще слышали, что «папа на работе». И момента, когда он увлёкся юной особой и ушёл из дома, не заметили.

Наталья переживала измену, никому не жалуясь. О том, что дело идёт к разводу, сестра и родители узнали от родственников мужа. Наталья гордо отказалась от денежной помощи бывшего супруга. После развода в 1998 году бралась за любую работу поверх тренерской, чтобы вытянуть в одиночку двоих детей.

Внешне сильная и смелая, она три года провела в депрессии, пока не прочитала тот самый журнал и не вспомнила галактическую спираль, горы и ощущение эйфории.

Фото из семейного архива Молчановых.

Тем летом Лёшу приняли в класс плавания училища олимпийского резерва в Петербурге, а Оксана поступила в институт учиться на архитектора. Наталья могла позволить себе десятидневную поездку на базовый курс фридайвинга в Египет. Там удивила всех быстрым прогрессом и под конец программы нырнула на 40 метров — максимум, которого достигает редкий новичок.

Инструктор Юлия Петрик впечатлилась и посоветовала Наталье заняться фридайвингом всерьёз, для чего требовался переезд в Москву.

Через год Молчанова перебралась в столицу, устроившись преподавателем на кафедру экстремальных видов спорта Университета физкультуры и спорта. Поначалу жила у друзей и родственников, потом — в преподавательском общежитии, затем сняла квартиру на «Петровско-Разумовской».

На первых же профессиональных соревнованиях, Открытом кубке Москвы 2003 года, Наталья установила рекорды России в двух из многочисленных дисциплин фридайвинга. Проплыла под водой на одном вдохе 142 метра и задержала дыхание на 5 минут 39 секунд.

Поражённые организаторы пригласили её побороться за международный приз журнала Freediver на Кипре. Ровно через месяц Молчанова проплыла там 150 метров, повторив мировой рекорд.

Так она стала звездой. С тех пор на всех чемпионатах России и мира выигрывала золото и обновляла рекорды.

Французская газета называет Алексея и Наталью «золотой семьёй».

Фото из семейного архива Молчановых.

После первого чемпионата мира Наталья вернулась окрылённая. Её поразила нетипичная для соревновательного спорта атмосфера. Вместо жёсткой конкуренции она увидела дружелюбие и взаимопомощь. Перед погружением у неё сломалась моноласта, и соперница одолжила свою. Наталья нырнула и заняла первое место, лишив девушку шансов на победу. Но обиды не было. Наоборот, после каждого соревнования у неё появлялись новые друзья-фридайверы.

Вслед за мамой сын Алексей в Петербурге тоже увлёкся фридайвингом. Потихоньку тренировался сам — плавал в бассейне с задержкой дыхания, иногда просто переставал дышать на улице. Наталья в удалённом режиме подсказывала что могла, хотя не особо одобряла опасное увлечение. Спортсменка внутри неё боролась с матерью, желающей оградить сына от риска.

В апреле 2004 года Алексей приехал в Москву дебютантом на чемпионат России и сразу же выиграл его, поставив мужской рекорд страны — нырнул в длину в ластах на 158 метров. После этого отговорить сына от фридайвинга было невозможно. Сын захотел остаться в столице, и дочь Оксана тем же летом переехала к маме, переведясь из волгоградского вуза в МАРХИ. Семья воссоединилась — правда, в однокомнатной квартире.

От бытового дискомфорта Наталью отвлекали преподавание, тренировки, чемпионаты, снова тренировки. Она разработала учебную программу и пособия по фридайвингу, которых в России до этого просто не было. Занималась исследованиями и писала диссертацию. В 2005 году основала Федерацию фридайвинга России.

Сын несколько лет подряд становился абсолютным чемпионом России. Они много времени проводили вместе, тренировались, ставили на соревнованиях новые рекорды, иногда с разницей в полчаса. Хотя у них был разный подход к тренировкам — Алексей больше времени уделял силовым упражнениям и йоге, а мама тренировалась в воде. Говорила: для тренировок по нырянию нужно нырять, а не качаться на суше.

Поездки на соревнования приходилось оплачивать в основном за свой счёт. Разовые спонсоры появлялись редко. Основным источником дохода были курсы, которые Наталья с сыном часто вели вместе. Победы на чемпионатах мира не приносят фридайверам больших денег — максимум подарят дорогие часы.

Если работа у фридайвера — нырять, то отдых — тоже нырять, только более красиво. В 2005 году мама с сыном придумали себе приключение — проплыть через арку. Недалеко от Дахаба в Египте есть легендарное место — Blue Hole. Вертикальная подводная пещера из кораллов, которая уходит вниз на 100 метров. На глубине 56 метров пещеру с морем соединяет пролив длиной 25 метров. Нависающие над проливом скалы называют аркой. Blue Hole также известна как «кладбище дайверов».

Но не кладбище же фридайверов, подумали Наталья с Алексеем и приехали в Дахаб. Они стали первыми россиянами, пронырнувшими арку на одном вдохе. Наталья до сих пор единственная женщина в мире, пронырнувшая арку на задержке дыхания. Приключение, которое оставляет послевкусие на долгие годы, как она говорила. Потом ещё дважды повторяла достижение.

Занятия фридайвингом сделали Наталью более спокойной. Она перестала воспринимать жизнь как опасность. Начала писать стихи. С помощью техники деконцентрации внимания избавлялась вообще от любых мыслей перед погружениями. В воде училась замедлять сердечный ритм. Главное под водой — не нервничать и всё делать плавно, экономить кислород.

Возраст во фридайвинге не помеха. Чего Наталья не умела в 40 — освоила в 45. И в 50 оставалась лучшей в мире.

Фото из семейного архива Молчановых.

Ещё в детстве, когда в секции плавания измеряли объём лёгких, у неё оказывался самый большой. У Молчановой — чемпионки по фридайвингу — спирометр просто зашкаливал, останавливаясь на максимальной отметке 8 литров. Средний объём лёгких у женщины — 3,5 литра, у мужчины — 4,5. У спортсменов — 6—7.

Мировое фридайверское сообщество не переставало удивляться результатам Молчановой. Ходила шутка: если ты установил рекорд — это всего на 15 минут, пока не пришла Наталья. Её называли The Queen — королева. А подопечные и ученики — мамой.

В 2010 году она защитила диссертацию по физиологии фридайвинга и начала работать над докторской. Через год в Греции нырнула в ласте на глубину 101 метр. Погружение заняло меньше 4 минут. Ещё через два года на чемпионате мира в Белграде поставила рекорд по задержке дыхания в статике — 9 минут 2 секунды.

От поклонников в это время у неё уже не было отбоя. Кто-то ограничивался цветами, кто-то хотел большего, но Наталью эта часть жизни мало интересовала. Глубина манила её сильнее мужчин. Фото из семейного архива Молчановых.

Фридайверы описывают своё состояние на глубине как близкое к наркотическому. На глубине около 50 метров происходит явление под названием кровяной сдвиг — вся кровь от конечностей приливает к грудной клетке, предохраняя её от сдавливания. Замедляется сердцебиение. На глубинах ниже 50 метров ныряльщик ощущает себя будто в невесомости.

В 2006 году в Дахабе Наталья чуть не погибла, попробовав себя в самой опасной дисциплине — погружении со следом. Фридайвера опускает на глубину специальная платформа на тросе, затем следует надуть баллон, который выталкивает спортсмена на поверхность. Молчанова опустилась таким образом на глубину 90 метров, но из баллона выпал шланг, он не надувался. Наталья провозилась со шлангом и решила всплывать «пешком», пока не поздно. У самой поверхности потеряла сознание.

Последствия того погружения она ощущала на протяжении трёх месяцев — мучилась головными болями и рвотой, теряла координацию. Декомпрессионная болезнь. В клинике Бурденко сделали томографию и рекомендовали срочно ложиться в больницу. Вместо этого она поехала отдыхать в Хорватию — не ныряла, наслаждалась пляжем и морем. Через три месяца отправилась на чемпионат мира и установила там новые четыре рекорда.

Основная опасность во фридайвинге — потеря сознания, связанная с понижением содержания кислорода в мозге (гипоксией). Это состояние называют блэкаутом. Он наступает внезапно при выныривании с глубины. Поэтому страхующий на последних 20 метрах всплытия сопровождает ныряльщика.

В июле 2015 года Наталья проводила очередной курс в Хорватии с Алексеем и Оксаной. Затем её пригласили устроить небольшую частную тренировку у берегов острова Форментера в Испании. Группа новичков, небольшая глубина, не особо много работы.

В субботу, 1 августа, дети посадили маму на самолёт до Испании. Оксана улетела в Москву на следующий день, а Алексей остался в Хорватии.

В воскресенье Наталья с учениками отправились на лодке в море. Нырнула на простую для себя глубину в 40 метров. Что пошло не так под водой, очевидно, никто никогда не узнает. Это могло быть сильное подводное течение или что-то ещё. Она всплыла без сознания в 60 метрах от нужного места и, пока неопытные подопечные спохватились, снова исчезла в глубине. Если бы рядом находился опытный фридайвер, он бы, не теряя времени, доплыл до неё. Когда человек всплывает без сознания, нужно всего лишь подержать его голову над водой и дождаться, когда он придёт в себя. Иначе он тонет.

Наталью искали спасатели. Сын в тот же день вылетел на место. На следующее утро написал СМС сестре. Оксана как раз вышла из дома на работу и на пути к метро думала о том, что мама не ответила на вчерашнее сообщение. В ступоре развернулась и пошла домой. Брат сказал ей оставаться в Москве, не приезжать в Испанию.

После двух дней поисков её признали погибшей, продолжали искать тело ещё три дня. В конце концов Алексей принял решение, что нужно оставить маму в море. Ей бы это понравилось.

Через месяц после её смерти в Лимасоле на Кипре проходил очередной чемпионат мира. Первый без Молчановой. «Чтобы почтить память самой выдающейся спортсменки в истории фридайвинга, я предлагаю всем присутствующим задержать дыхание на одну минуту вместе со мной», — сказала ведущая на открытии. Так родился новый ритуал. У некоторых фридайверов в течение этой минуты появились слёзы.

На большом экране под звуки биения сердца сменяли друг друга фотографии Натальи. Затем от мирового фридайверского сообщества Алексею вручили баннер с цитатой мамы: «Фридайвинг — это не просто спорт, а способ понять, кто ты».

Через несколько дней Алексей в очередной раз стал чемпионом мира и установил два новых рекорда.

Источник