Устройство корабля: как он устроен и почему не тонет

Стальная громада весом в десятки тысяч тонн держится на воде, как пробка. Если бросить в воду стальной болт, он тут же утонет, но из той же стали, свёрнутой в форму огромной полой чаши, получается судно, которое переносит океанские волны. Секрет в форме и в законе, который открыл Архимед ещё две с лишним тысячи лет назад. Ниже — из чего состоит корабль, почему он держится на плаву, что удерживает его от опрокидывания и как он движется и поворачивает. Заодно разберём, что такое ватерлиния и чем корабль отличается от лодки.

Из чего состоит корабль

Мысленно пройдём от днища к мачте, а от носа к корме.

Часть	Что делает
Корпус	Оболочка судна из стальных листов (или иных материалов); принимает воду и нагрузки
Киль	Продольная балка вдоль всего днища; «позвоночник», на который опирается корпус
Шпангоуты	Поперечные рёбра каркаса; как рёбра у человека, придают форму и жёсткость
Форштевень и ахтерштевень	Носовая и кормовая оконечности, где сходятся борта
Палубы	Горизонтальные настилы, разделяющие корпус по высоте; верхняя палуба закрывает корпус сверху
Надстройка и рубка	Строения на палубе; в рубке находится управление судном
Трюм и отсеки	Внутренние помещения для груза, механизмов, топлива и людей
Водонепроницаемые переборки	Стенки, делящие корпус на отсеки; при пробоине вода остаётся в ограниченной части
Двойное дно и балластные цистерны	Пространство между двумя днищами: хранит топливо, воду и балласт
Главный двигатель	Дизель или турбина: вращает гребной вал
Гребной винт	Лопасти, которые отбрасывают воду назад и толкают судно вперёд
Руль	Вертикальная плоскость за винтом: поворачивает и меняет направление потока
Якорь	Тяжёлая лапа на цепи: удерживает судно на месте

О двигателях, которые стоят на судах, рассказано в статьях об устройстве дизельного двигателя и устройстве турбины.

Как корабль держится на воде

1. Корабль опускается в воду. Корпус занимает место, где раньше была вода, и вытесняет её.
2. Вода давит на днище и борта снизу вверх. Давление растёт с глубиной, поэтому снизу оно больше, чем сверху, и в сумме получается сила, направленная вверх.
3. Сила равна весу вытесненной воды. Это закон Архимеда: чем глубже погружён корпус, тем больше воды он вытеснил и тем больше выталкивающая сила.
4. Наступает равновесие. Корабль погружается до тех пор, пока выталкивающая сила не станет равна его весу вместе с грузом.
5. Судно плавает. Если добавить груз, осадка увеличится, пока вытесненный объём воды снова не уравновесит новый вес.

Средняя плотность корабля учитывает и сталь, и воздух в помещениях. Пока она меньше плотности воды, судно держится на плаву. Пробоина заливает водой часть пустоты, средняя плотность растёт, и корабль оседает.

Масса воды, вытесненной судном, называется водоизмещением. Когда говорят «корабль водоизмещением сто тысяч тонн», имеют в виду именно вес вытесненной воды, который равен весу самого судна с грузом.

Ватерлиния и грузовая марка

Ватерлиния — линия, по которой вода касается корпуса. Её положение показывает осадку, то есть глубину погружения. На борту у больших судов нарисован знак — грузовая марка, придуманная в XIX веке по настоянию британского политика Сэмюэла Плимсоля. Он показывает, до какого уровня можно погружать судно в разной воде и в разное время года: в пресной, солёной, тропической и зимней. Перегруженный корабль опасен: борт низко, волна легко заливает палубу, а остойчивость падает.

Почему корабль не опрокидывается

Плавать мало, нужно ещё держать равновесие. Когда судно кренится, форма погружённой части меняется, и сила Архимеда смещается вбок и создаёт момент, который возвращает корабль вертикально. Чем шире корпус и ниже центр тяжести, тем устойчивее судно. Поэтому тяжёлые механизмы, топливо и балласт размещают внизу, а высокие надстройки делают из лёгких материалов. Если груз в трюме сместится или вода начнёт свободно переливаться по палубе, центр тяжести уйдёт, и судно может потерять остойчивость.

Отсеки нужны для непотопляемости. Если в борту появилась пробоина, вода заполнит один отсек или несколько (сколько именно, задаёт расчёт), а переборки не пустят её дальше. Судно оседает, но остаётся на плаву. Проблемы начинаются, когда затоплено больше отсеков, чем допускает расчёт, или когда вода переливается через верх переборок: так погиб «Титаник»: его переборки не доходили до верхней палубы, и вода переливалась из отсека в отсек.

Как корабль движется и поворачивает

Двигатель вращает гребной вал, а винт с изогнутыми лопастями работает как вкрученный в воду шуруп: захватывает воду и выбрасывает её назад. Отбрасывая воду, винт получает толчок вперёд: здесь работает тот же закон сохранения импульса, что и у ракеты. Форма носа тоже важна: острый нос разрезает воду, а у многих больших судов под водой выступает бульб, который смягчает волны и снижает сопротивление.

Поворачивает судно руль, вертикальная лопасть за винтом. Когда её отклоняют, поток воды бьёт под углом, и корма смещается вбок, а нос разворачивается. Большому кораблю нужно много времени и места: инерция огромная, и корабль останавливается не за секунды, а за километры. У некоторых судов вместо винта и руля стоят поворотные винто-рулевые колонки или водомёты.

Какими бывают суда по назначению

Общий принцип у всех один, различаются внутренности. У сухогруза большие трюмы с широкими люками для насыпных и штучных грузов. У контейнеровоза трюмы рассчитаны на стандартные ящики, которые ставят в несколько ярусов и на палубу. Танкер — по сути гигантский резервуар, разделённый на секции для нефти или наливных продуктов. Паром имеет широкую палубу для машин и пассажиров, пассажирский лайнер — множество кают и общественных помещений. Ледокол усилен: корпус толще, а обводы позволяют ему вползать на лёд и ломать его весом. Корпуса небольших лодок делают из дерева, алюминия и пластика, крупные суда — из стали.

Чем отличается то, что путают

Корабль, судно и лодка. «Судно» — общее слово для всех плавучих средств, по размеру идут лодки, катера, суда и большие корабли. Лодка обычно маленькая и открытая, а у судна есть палубы и надстройки.

Водоизмещающее и глиссирующее. Большинство кораблей плывёт, погрузившись в воду и раздвигая её. Скоростные катера на ходу приподнимаются и скользят по поверхности, а некоторые поднимаются на подводные крылья.

Парусное и моторное. Парусное судно использует ветер, а киль не даёт ему сносить вбок. Моторное берёт энергию из топлива.

Однокорпусное и катамаран. Катамаран имеет два узких корпуса, соединённых мостом: он устойчив и вместителен на палубе.

Интересные факты

• Почему скорость измеряют узлами. Один узел — одна морская миля в час, около 1,85 километра в час. Слово пришло от старого способа измерять скорость верёвкой с узлами, которую вываливали за борт.
• Почему у больших кораблей нос с шишкой. Бульб, выступающий под водой вперёд, создаёт собственную волну, которая гасит волну от носа, и судно расходует меньше топлива.
• Почему корабль в реке сидит глубже, чем в море. Пресная вода менее плотная, и для того же веса нужно вытеснить больше её объёма.
• Почему якорь держится не весом. Тяжёлый якорь лапами зарывается в грунт, а цепь, лежащая на дне, добавляет сопротивление. Одна масса без лап не удержала бы судно.

Что изнашивается и на что смотрят

• Коррозия. Морская вода разъедает сталь, поэтому корпус красят особыми красками, а внутри ставят цинковые «протекторы», которые ржавеют вместо корпуса.
• Обрастание днища. Ракушки и водоросли увеличивают сопротивление воды, судно расходует больше топлива.
• Износ винта и вала. Лопасти повреждаются, вибрация растёт.
• Течи и разгерметизация. Проверяют швы, кингстоны и заглушки отсеков.
• Перегруз и смещение груза. Опасность потери остойчивости.

Судно регулярно проходит осмотр в доке: его поднимают из воды, чистят днище, проверяют обшивку, винт и руль. Как устроены другие транспортные средства, читайте в статьях об устройстве велосипеда и о том, почему самолёт летает.