§ 185. Перемещение на воде

В гл. VII мы выяснили вопрос о плавании судов на поверхности воды. Теперь нам нужно объяснить, как передвигаются суда. Здесь вопрос стоит иначе, чем для передвижения механических экипажей по поверхности земли. Например, автомобиль движет сила трения покоя между колесами и грунтом (§ 66); можно сказать, что колеса отталкиваются от неподвижного твердого грунта. Иначе обстоит дело на воде, ибо в воде, как и в любой жидкости, силы трения покоя отсутствуют (§ 67). В судостроении применяется несколько видов механизмов, приводящих суда в движение, так называемых «движителей»: гребной винт, гребное колесо и некоторые другие; но принцип действия всех этих устройств одинаков. Движитель, погруженный в воду, приводится во вращение судовой машиной. Со стороны движителя на воду действует сила, которая гонит воду в одном направлении, сообщая ускорение все новым массам воды. По третьему закону Ньютона на движитель со стороны отталкиваемой воды действует равная сила, направленная в противоположную сторону (реакция отбрасываемой струи). Так как движитель скреплен с судном, то все судно приходит в движение. Чем больше масса отбрасываемой воды и чем больше сообщаемое ей ускорение, тем больше сила реакции, приложенная к движителю, и тем скорее движется судно.

Первые суда с механическим двигателем — пароходы — приводились в движение гребным колесом (рис. 325). Гребное колесо укрепляется на вращающемся валу машины. В воду погружена только нижняя часть колеса. На ободе колеса расположены лопасти, или, как их называют судостроители, плицы (рис. 326). При вращении колеса лопасти отбрасывают воду назад; при этом они немного поворачиваются, так что входят в воду и выходят из воды ребром, чтобы не вызывать всплесков, на которые затрачивалась бы непроизводительно работа машины. Если переменить направление вращения колеса, дав машине обратный ход, то вода будет отбрасываться вперед, судно же начинает двигаться назад.

Рис. 325. «Клермонт» — первый пароход

Рис. 326. Гребное колесо речного судна

Гребной винт (рис. 327) был впервые применен на судне в 1836 г. В настоящее время все суда снабжены винтами, а не колесами. Винт гораздо проще по конструкции, чем колесо, и защищен от ударов волн, так как целиком находится под водой. Лопасти винта искривлены таким образом, что при вращении по часовой стрелке каждая лопасть отбрасывает воду вправо на рисунке. Следовательно, сила реакции воды направлена влево.

Рис. 327. Гребной винт морского судна

Точно так же работают и воздушные винты (пропеллеры), приводящие в движение самолеты, дирижабли, аэросани, некоторые виды скоростных глиссеров. Воздушный винт состоит из нескольких (двух, трех или четырех) искривленных лопастей, косо посаженных на втулку (рис. 328).

Рис. 328. Самолетный винт (пропеллер)

Как и водяные винты, воздушные винты при вращении отбрасывают вдоль своей оси струю окружающей среды. Сила реакции струи — это и есть сила тяги винта. Различие в форме лопастей воздушных и водяных винтов вызвано тем, что им приходится работать в среде разной плотности. Воздушный винт может хорошо работать только при скорости лопастей, меньшей скорости звука в воздухе. Поэтому винты на скоростных самолетах работают неэффективно и более выгодным оказывается применение реактивных двигателей (§ 187).

Обычный комнатный вентилятор — это также воздушный винт. «Ветер», им создаваемый, - это и есть отбрасываемая стружка воздуха. Сила реакции струи обычного вентилятора невелика, но ее можно обнаружить, установив вентилятор на легкой тележке (рис. 329). При включении вентилятора тележка начинает откатываться.

Рис. 329. При работе вентилятора тележка катится в сторону, противоположную отбрасываемой струе воздуха

Заметим, что и простейшие способы передвижения по воде — плавание человека, животных и рыб, гребля на лодке — все основаны на том же отбрасывании воды в сторону, противоположную создаваемому движению. Например, в лодке каждый удар веслом отгоняет воду в сторону, противоположную движению лодки.