§ 49. Плавание животных и человека

Определения и обозначения

Плавание — состояние тела в жидкости, при котором оно удерживается у поверхности или движется в воде под действием выталкивающей силы и других сил. Тело может плавать спокойно или перемещаться, если на него дополнительно действуют плавники, конечности или другие органы.

Плавучесть — способность тела или организма удерживаться на поверхности жидкости либо внутри неё. Она зависит от соотношения средней плотности тела и плотности воды. Это понятие помогает понять, почему одни предметы тонут, а другие остаются на плаву.

Плавательный пузырь — заполненный газом орган рыбы, позволяющий изменять среднюю плотность тела и глубину погружения. Рыба меняет объём пузыря, почти не изменяя свою массу. Так она может опускаться или подниматься в воде без постоянной работы плавниками.

Обтекаемая форма тела — форма, уменьшающая сопротивление воды при движении. У такого тела вода плавнее обтекает поверхность, поэтому на движение расходуется меньше энергии. Именно поэтому многие быстро плавающие животные имеют вытянутое тело.

Как это устроено

Человек может плавать, потому что вода действует на погружённое тело выталкивающей силой. Когда эта сила уравновешивает силу тяжести, тело не опускается вниз. При глубоком вдохе объём грудной клетки и всего тела увеличивается почти без увеличения массы, поэтому средняя плотность уменьшается и удерживаться на воде становится легче.

Рыба изменяет глубину погружения с помощью плавательного пузыря. Если объём пузыря увеличивается, объём рыбы становится больше, а её средняя плотность уменьшается. Тогда при той же массе выталкивающая сила действует относительно сильнее, и рыба поднимается; при уменьшении объёма пузыря она может опускаться.

Для поступательного движения животное должно оттолкнуть воду. Хвост, плавники, ласты или изгибы тела сообщают воде движение в одну сторону. По третьему закону Ньютона вода действует на животное в противоположную сторону, поэтому оно перемещается вперёд или в сторону.

Форма тела важна потому, что при движении вода сопротивляется перемещению. У обтекаемого тела поток воды меньше меняет направление и не образует таких сильных завихрений. Сопротивление уменьшается, поэтому животное может плыть быстрее или тратить меньше энергии на ту же скорость.

Человек управляет плаванием согласованными движениями рук и ног. Гребки создают тягу, а положение тела определяет, насколько велика сопротивляющая сила. Воздух в лёгких помогает сохранять плавучесть, а равновесие поддерживается изменением наклона туловища и движений конечностей.

Плавание животных и человека

В таблице сначала найдите способ создания движения, а затем сравните его с механизмом плавучести. Последний столбец показывает, как форма помогает уменьшить сопротивление воды. У одного животного движение и удержание в воде обеспечиваются разными приспособлениями.

Разбор задач

1. Почему человек легче удерживается на воде после глубокого вдоха?

Условие: нужно сравнить состояние человека после вдоха и после выдоха. Масса тела практически постоянна, но объём тела при вдохе становится больше.

1. Средняя плотность вычисляется как отношение массы к объёму: ρср = m/V. При увеличении объёма без заметного изменения массы она уменьшается.
2. Сила Архимеда зависит от объёма погружённой части тела: FА = ρжgV. Больший объём позволяет воде действовать сильнее.
3. Поэтому после вдоха разность между выталкивающей силой и силой тяжести становится меньше в сторону погружения, и человеку легче держаться на воде.

Ответ: после глубокого вдоха объём тела увеличивается, средняя плотность уменьшается, а плавучесть улучшается.

2. Рыба увеличила объём плавательного пузыря, не изменив массу тела. Как изменятся её средняя плотность и положение в воде?

Условие: масса рыбы остаётся прежней, а общий объём увеличивается. Требуется определить изменение средней плотности и направление перемещения.

1. По формуле ρср = m/V при постоянной массе и увеличении объёма средняя плотность уменьшается.
2. Увеличение объёма погружённой рыбы усиливает выталкивающую силу воды.
3. Если сила Архимеда станет больше силы тяжести, рыба начнёт подниматься, пока не установится новое равновесие.

Ответ: средняя плотность уменьшится, а рыба поднимется выше или начнёт всплывать.

3. Тело пловца объёмом 0,070 м³ полностью погружено в пресную воду. Определите выталкивающую силу и сравните её с весом пловца массой 65 кг.

Условие: ρводы = 1000 кг/м³, g ≈ 10 Н/кг, V = 0,070 м³, m = 65 кг. Нужно вычислить силу Архимеда и силу тяжести.

1. Находим выталкивающую силу: FА = ρgV = 1000 · 10 · 0,070 = 700 Н.
2. Находим силу тяжести: Fт = mg = 65 · 10 = 650 Н.
3. Сравниваем результаты: 700 Н больше 650 Н на 50 Н. Значит, при полном погружении равнодействующая направлена вверх.

Ответ: FА = 700 Н, вес пловца примерно 650 Н; пловец будет всплывать, пока часть его тела не окажется над водой.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что плавает любое тело, материал которого легче воды. Плавучесть определяется средней плотностью всего тела, включая полости и воздух, поэтому проверять нужно отношение массы к общему объёму. Если средняя плотность меньше плотности воды, тело всплывает, а не тонет.

Ошибка — утверждать, что сила Архимеда возникает только у движущегося тела. Она действует на любое погружённое тело, даже если оно неподвижно; движение нужно не для появления силы, а для изменения положения тела. Проверьте себя: сравните силы, действующие на погружённый неподвижный предмет.

Ошибка — путать причину движения с плавучестью. Сила Архимеда поддерживает тело, а вперёд его перемещает реакция воды на отталкивание. Полезно отдельно указать вертикальные силы и горизонтальную тягу.

Ошибка — считать, что увеличение плавательного пузыря увеличивает массу рыбы. При неизменной массе увеличивается объём, поэтому средняя плотность уменьшается. Для проверки используйте формулу ρср = m/V и проследите, какая величина изменилась.

Связь с другими темами

Для понимания плавания нужны знания о силе тяжести, силе Архимеда, плотности и условии плавания тел. Третий закон Ньютона объясняет, почему отталкивание воды создаёт движение животного или пловца.

Эта тема связана с изучением движения тел в жидкостях и сопротивления среды. Те же идеи применяются при объяснении устройства судов, подводных аппаратов и других тел, которые должны сохранять плавучесть и управлять движением.

Что запомнить

• Плавучесть определяется соотношением средней плотности тела и плотности воды.
• Тело плавает, когда сила Архимеда уравновешивает силу тяжести.
• Движение в воде возникает благодаря отталкиванию воды.
• Обтекаемая форма уменьшает сопротивление воды.
• Рыба регулирует глубину погружения изменением объёма плавательного пузыря.
• Вдох увеличивает объём тела и обычно улучшает плавучесть человека.
• Плавники, ласты, хвост и движения конечностей создают тягу.