Деревянный шар лежит на дне сосуда с водой
29. Механика (расчетная задача)
1. Вспоминай формулы по каждой теме
2. Решай новые задачи каждый день
3. Вдумчиво разбирай решения
Вертикальная труба с поршнем, плотно прилегающим к ее внутренним стенкам, опущена нижним концом в воду. Вначале поршень находился в самом нижнем положении, на уровне воды, а затем его медленно поднимают на высоту 20 м. Пренебрегая трением, найдите совершенную при этом работу (в кДж). Площадь поршня 100 см(^2). Атмосферное давление 100 кПа.
Процесс поднятия поршня происходит в 2 этапа. Первый этап: давление под поршнем будет положительным и равное [p_0-rho g h] где (rho) – плотность воды, (h) – высота подъеда поршня.
Вода будет заполнять весь объем под поршнем, а приложенная к поршню сила будет компенсировать давление внутри, она будет равна [F=rho g h S] Она будет линейно возрастать. Это будет до момента, пока вода не поднимется на высоту, равную [h_0=dfrac{p_0}{rho g}=dfrac{100text{ кПа}}{1000text{ кг/м$^3$ cdot 10 Н/кг}}=10text{ м}] При подъеме поршня на высоту (h_0) давление станет равным нулю. После этого вода перестает подниматься, а сила, приложенная к поршню, остается равной [F’=rho g h_0 S=p_0S] Работа по поднятию равна сумме работ: работе по поднятию до высоты (h_0) (A_0=dfrac{0+F_1}{2}h_0=dfrac{p_o S h_0}{2}) (так как она линейно возрастает, то берем как среднее арифметическое от начального, до конечного) и работе по поднятию от высоты (h_0) и конечной высоты (A_1=F_1(h_1-h_0)=p_o Sh_1-p_o Sh_0). Значит полная работа равна [A=dfrac{p_o S h_0}{2}+ p_0 S h_1 -p_0 Sh_0=p_0 S (h_1 -dfrac{h_0}{2})=100text{ кПа}cdot 10^{-2}text{ м$^2$}(20text{ м}-5text{ м})=15text{ кДж}]
Ответ: 15
Шар, до половины погруженный в воду, лежит на дне сосуда и оказывает на него давление с силой, равной 1/3 действующей на него силы тяжести. Найти плотность материала шара.
Сила давления на дно будет равна разности силы тяжести и силы Архимеда, действующих на шар [N=m g-rho_{0} g frac{V}{2},] где (N) – сила давления на дно, (m) – масса шарика,(rho_0) – плотность воды, (V) – объем шарика [N=frac{1}{3} m g] Масса шарика же равна [m=rho V,] где (rho) – плотность материала, из которого сделан шар. Подставим (2) и (3) в (1) и получим [frac{1}{3} rho g V=rho g V-rho_{0} g frac{V}{2}] Откуда плотность тела [rho=frac{3}{4} rho_{0}=frac{3}{4} 1000 text{ кг/м$^3$}=750 text{ кг/м$^3$}]
Ответ: 750
Деревянный шар привязан нитью ко дну цилиндрического сосуда с площадью дна S = 100 см(^2). В сосуд наливают воду так, что шар полностью погружается в жидкость, при этом нить натягивается и действует на шар с силой (T). Если нить перерезать, то шар всплывёт, а уровень воды изменится на (h) = 5 см. Найдите силу натяжения нити (T).
“Демоверсия 2018”
Пусть (rho) – плотность жидкости, (H) – первоначальный уровень воды, тогда после перерезания нити уровень уменшиться на (h). Значит гидростатическое давление до перерезания нити [P_1=rho g H] но так как есть еще сила натяжения нити, которая удерживает шар в воде, но не действует на дно, то сила давления на дно равна [F_1=rho cdot g cdot H cdot S -T] Во втором случае нить обрывается и шар всплывает и уровень уменьшается на (h), тогда сила давления на дно будет равна [F_2=rho cdot g cdot (H-h)cdot S] Поскольку масса щара и воды остается неизменным, то и сила давления на дно при равновесных состояниях остается неизменной, а значит мы можем приравнять (F_1) и (F_2) [rho cdot g cdot H cdot S -T=rho cdot gcdot H cdot S -rho cdot gcdot h cdot S] Выразим силу натяжения нити [T=rho cdot gcdot h cdot S=1000 text{ кг/м$^3$}cdot 10text{ Н/кг} cdot 0,05text{ м}cdot 0,01text{ м$^2$}=5text{ Н}]
Ответ: 5
Невесомый стержень АВ с двумя малыми грузиками массами (m_1 = 200) г и (m_2 = 100) г, расположенными в точках (C) и (B) соответственно, шарнирно закреплён в точке (A). Груз массой (M = 100) г подвешен к невесомому блоку за невесомую и нерастяжимую нить, другой конец которой соединён с нижним концом стержня, как показано на рисунке. Вся система находится в равновесии, если стержень отклонён от вертикали на угол (alpha=30^circ), а нить составляет угол с вертикалью, равный (beta =30^circ). Расстояние (АС = b =) 25 см. Определите длину (l) стержня (АВ). Сделайте рисунок с указанием сил, действующих на груз (M) и стержень.
“Демоверсия 2021”
Сделаем рисунок с указанием всех сил 
Запишим правило моментов относительно точки А. В точке (B) действует только сила натяжения нити равная силе тяжести (m_1g), в точке (C) действует вниз сила натяжения нити равная силе тяжести (m_2g) и сила натяжения нити, действующая вверх, равная (Mg) [m_1g sin alpha cdot b+ m_2g sin alpha cdot l = Mgsin (180-alpha-beta)cdot l] Откуда (l) [l=dfrac{m_1g sin alpha cdot b}{Mgsin (alpha+beta)-m_2g sin alpha cdot AC}=dfrac{0,2 text{ кг}cdot sin 30^circcdot 25text{ см}}{0,2text{ кг}cdot sin 60^circ-0,2text{ кг}cdot sin 30^circ}approx 68,3text{ см}]
Ответ: 68,3
В сосуд с привязанным нитью ко дну деревянным шариком наливают воду так, что шарик частично погружается под воду, а нить натягивается и действует на шарик с силой (T = 7) H. На сколько изменится уровень воды в сосуде после перерезания нити? Площадь дна сосуда (S=100) см(^2).
“Досрочная волна 2019 вариант 2”
Поскольку масса воды и шарика неизменна, то сила давления на дно сосуда одинакова в двух случаях: [rho g h_1S -T =rho g h_2S Rightarrow rho g S Delta h =T Rightarrow Delta h=dfrac{T}{rho g S}=dfrac{7text{ Н}}{1000text{ кг/м$^3$}cdot 10text{ Н/кг}cdot 10^{-2}text{ м$^2$} }=0,07text{ м}]
Ответ: 0,07
Гладкий цилиндр лежит между двумя плоскостями, одна из которых вертикальна, а линия их пересечения горизонтальна (см. рисунок). Сила давления цилиндра на вертикальную стенку в (n=sqrt{3}) раза превышает силу тяжести, действующую на цилиндр. Найдите угол (alpha) между плоскостями. Сделайте рисунок, на котором укажите силы, действующие на цилиндр.
“Досрочная волна 2020 вариант 1”
Сделаем рисунок 
По третьем закону Ньютона, на вертикальную стенку действует цилиндр с силой (sqrt{3}mg), а значит стенка действует с такой же силой на цилиндр Запишем второй закон Ньютона, с учетом покоя тела [vec{N_1}+vec{N_2}+vec{mg}=0] Найдем тангенс угла (alpha) [tg alpha =dfrac{mg}{N_2}= dfrac{mg}{mgsqrt{3}}=dfrac{1}{sqrt{3}}] А значит угол равен (30^circ)
Ответ: 30
В гладкий высокий стакан радиусом 4 см поставили однородную алюминиевую палочку длиной 10 см и массой 0,9 г, после чего в стакан налили до высоты h = 4 см воду. Найдите модуль силы (F), с которой верхний конец палочки давит на стенку стакана. Сделайте рисунок с указанием сил, действующих на палочку. Ответ дайте в мН.
1. Найдем высоту палочки, относительно дна стакана [H=sqrt{l^2-4R^2}=sqrt{0,01text{ м$^2$}-4cdot 0,0016text{ м$^2$}}=0,06text{ м}] где (l) – длина палочки, (R) – радиус стакана.
2. Сделаем рисунок с изображением всех сил, действующих на палочку. 
3. Найдем силу Архимеда, действующую на палочку. Палочка погружена в жидкость на (dfrac{h}{H}) от своего объема, то есть [F_text{ Арх}=rho_text{ж}gleft(dfrac{h}{H}V right)=dfrac{rho_text{ж}}{rho}dfrac{mgh}{H }] где (V) – объем тела, (rho) – плотность палочки, (rho_text{ж}) – плотность жидкости.
4. Запишем правило моментов, относительно оси, проходящей перпендикулярно рисунку через точку приложения сил (F_2) и (F_1). [mgdfrac{l}{2} cos alpha -F_text{арх}left(dfrac{l}{4}cos alpha right)-Nlsin alpha =0] Преобразуем [mgR-F_text{арх}left(dfrac{h}{2}ctg alpharight)-NH=0] Выразим силу реакции опоры. С учетом третьего закона Ньютона она будет равна силе давления палки на стенку сосуда. [N=mgdfrac{R}{H}-F_text{арх}left(dfrac{h}{2H}ctg alpharight)=mgdfrac{R}{H}left( 1-dfrac{rho_text{ж}}{rho}left(dfrac{h}{H}right)^2right)=] [F=N=0,0009text{ кг}cdot 10text{ Н/кг}dfrac{0,04text{ м}}{0,06text{ м}}left( 1-dfrac{1000text{ кг/м$3$}}{2700text{ кг/м$3$}}left( dfrac{0,04text{ м}}{0,06text{ м}}right)^2 right)approx 5cdot 10^{-3}text{ Н}]
Ответ: 5
Источник
605. В какой воде и почему легче плавать: в морской или речной?
Легче плавать в морской воде, так как на тело, погруженное в морскую воду будет действовать большая выталкивающая сила из-за того, что плотность морской воды больше плотности речной воды.
606. К чашам весов подвешены два одинаковых железных шарика (рис. 183). Нарушится ли равновесие, если шарики опустить в жидкость? Ответ объясните.
Равновесие весов нарушится, так как архимедовы силы, действующие на шарики, будут различны. Перевесит чаша с шариком, погруженным в керосин, так как на нее будет действовать меньшая выталкивающая сила.
607. В сосуд погружены три железных шарика равных объемов (рис. 184). Одинаковы ли силы, выталкивающие шарики? (Плотность жидкости вследствие ничтожной сжимаемости на любой глубине считать одинаковой.)
Выталкивающие силы, действующие на шарики, не зависят от глубины погружения и поэтому будут равны (рис. 184)
608. Свинцовая дробинка опускается с постоянной скоростью на дно сосуда, наполненного маслом. Какие силы действуют на дробинку?
На дробинку действуют сила тяжести, выталкивающая сила и сила вязкого трения. Эти силы скомпенсированы.
609. К чашам весов подвешены две гири равного веса: фарфоровая и железная. Нарушится ли равновесие весов, если гири опустить в сосуд с водой?
При одинаковом весе гирь объем железной гирьки будет меньше объема фарфоровой, так как плотность железа больше. Поэтому, если гири опустить в сосуд с водой, на фарфоровую будет действовать большая выталкивающая сила, и железная гиря перевесит.
610. В сосуде три жидкости: слегка подкрашенная вода, растворитель (четыреххлористый углерод) и керосин. Укажите на порядок расположения этих жидкостей. (Плотность растворителя 1595 кг/м3.)
Снизу вверх: четыреххлористый углерод, вода, керосин.
611. Почему горящий керосин нельзя тушить водой?
Потому что вода будет опускаться вниз и не будет закрывать доступ воздуха (необходимого для горения) к керосину.
612. На дне сосуда с водой лежат одинаковой массы шары: чугунный и железный. Одинаковое ли давление на дно сосуда производят эти шары?
Сила давления, оказываемая чугунным шаром, будет меньше, так как на него будет действовать большая выталкивающая сила, так как плотность чугуна меньше плотности железа. Если площади соприкосновения с дном одинаковы, то давление, оказываемое железным шаром, будет больше.
613. На поверхности воды плавают бруски из дерева, пробки и льда (рис. 185). Укажите, какой брусок пробковый, а какой из льда.
3 — брусок из пробки, 1 — брусок изо льда, так как плотность пробки наименьшая из заданных веществ, льда — наибольшая.
614. Березовый и пробковый шарики равного объема плавают на воде. Какой из них глубже погружен в воду? Почему?
Так как плотность березового шарика больше плотности пробкового, то он глубже будет погружен в воду.
615. Для отделения зерен ржи от ядовитых рожков спорыньи их смесь высыпают в воду. Зерна ржи и спорыньи в ней тонут. Затем в воду добавляют соль. Рожки начинают всплывать, а рожь остается на дне. Объясните это явление.
Объясняется это явление тем, что плотность рожков спорыньи меньше плотности соленой воды, а плотность ржи — больше.
616. В сосуд, содержащий воду, керосин и жидкий растворитель (четыреххлористый углерод, плотность которого равна 1595 кг/м3), опущены три шарика: парафиновый, пробковый и стеклянный. Как расположены шарики?
Пробковый шарик будет плавать на поверхности керосина, парафиновый — на границе вода — керосин, а стеклянный покоиться на дне сосуда.
617. В сосуде с водой (при комнатной температуре) плавает пробирка (рис. 186). Останется ли пробирка на такой же глубине, если воду слегка подогреть; охладить? (Увеличение объема пробирки при нагревании и охлаждении не учитывать. Охлаждение производить при температуре не ниже 4 °С.)
При нагревании воды пробирка начнет двигаться вниз, при охлаждении — вверх. Объясняется это тем, что плотность воды при нагревании уменьшается, а при охлаждении возрастает.
618. В сосуд с водой опущены три одинаковые пробирки с жидкостью (рис. 187). На какую из пробирок действует наибольшая выталкивающая сила? (Плотность воды на всей глубине считать одинаковой.) Ответ обоснуйте.
На вторую и третью пробирки действуют одинаковые по величине выталкивающие силы, равные весу вытесненной ими воды. На первую пробирку действует меньшая выталкивающая сила, так как вес вытесненной ей воды меньше, чем вес воды, вытесненной второй или третьей пробиркой.
619. На рисунке 188 изображен поплавок, который можно использовать как весы. Объясните, как действуют такие весы.
Поплавок будет погружаться в воду пропорционально нагружаемому весу. Поэтому его можно использовать как весы.
620. Пробирка, в которой находится брусок пластилина, плавает в воде (рис. 189, а). Изменится ли глубина погружения пробирки в воду, если пластилин вынуть и подклеить ко дну (рис. 189, 6)1 Если изменится, то как? Ответ объясните.
Глубина погружения пробирки не изменится, так как по-прежнему будет вытесняться количество воды, равное весу пробирки и пластилина. Если же пластилин отвалится и утонет, то глубина погружения пробирки уменьшится.
621. Стальной брусок подвешен к пружине и опущен в воду (рис. 190). С одинаковой ли силой давит вода на верхнюю и нижнюю поверхности бруска? Ответ обоснуйте.
Давление на нижнюю поверхность бруска будет больше, чем на верхнюю. Поэтому и сила давления на нижнюю поверхность бруска будет больше.
622. Подвешенный на нити стальной брусок погружен в воду (рис. 190). Назовите взаимодействующие тела и силы, действующие на брусок. Изобразите эти силы графически.
Брусок взаимодействует с Землей, пружиной и водой. Силы, действующие на брусок: сила тяжести, направленная вниз; сила Архимеда и сила упругости нити, направленные вверх. Сила тяжести равна по модулю сумме сил Архимеда и упругости нити.
623. Деревянный шар плавает на воде (рис. 191). Назовите силы, действующие на шар. Изобразите эти силы графически.
На шар действуют сила тяжести, направленная вниз, и сила Архимеда, направленная вниз. Сила тяжести равна по модулю силе Архимеда.
624. Стальной брусок, вес которого 15,6 Н, погрузили в воду (рис. 190). Определите значение и направление силы натяжения пружины.
625. Вычислите выталкивающую силу, действующую на гранитную глыбу, которая при полном погружении в воду вытесняет ее некоторую часть. Объем вытесненной воды равен 0,8 м3.
626. Железобетонная плита размером 3,5×1,5×0,2 м полностью погружена в воду. Вычислите архимедову силу, действующую на плиту.
627. Железобетонная плита размером 4×0,3×0,25 м погружена в воду на половину своего объема. Какова архимедова сила, действующая на нее?
628. Один брусок имеет размер 2x5x10 см, а соответствующий размер другого бруска в 10 раз больше (0,2×0,5×1 м). Вычислите, чему будут равны архимедовы силы, действующие на эти бруски при полном погружении их в пресную воду, в керосин.
629. Плавающий на воде деревянный брусок вытесняет воду объемом 0,72 м3, а будучи погруженным в воду целиком — 0,9 м3. Определите выталкивающие силы, действующие на брусок. Объясните, почему различны эти силы.
630. Определите показания пружинных весов при взвешивании в воде тел объемом 100 см3 из алюминия, железа, меди, свинца.
631. Определите, что покажут пружинные весы, если тела объемом 100 см3 из алюминия, железа, свинца взвешивать в керосине.
632. Чему равна архимедова сила, действующая в воде на тела объемом 125 см3 из стекла, пробки, алюминия, свинца?
633. Пробирку поместили в мензурку с водой. Уровень воды при этом повысился от деления 100 см3 до деления 120 см3. Сколько весит пробирка, плавающая в воде?
634. На сколько гранитный булыжник объемом 0,004 м3 будет легче в воде, чем в воздухе?
635. Какую силу надо приложить, чтобы поднять под водой камень массой 30 кг, объем которого 0,012 м3?
636. Брусок размером 20х 10×5 см может занимать в воде указанные на рисунке 192 положения. Докажите, что на него действует одна и та же выталкивающая сила.
Сила Архимеда равна весу жидкости, вытесненной телом, и не зависит от ориентации тела в жидкости.
637. До какого уровня поднимется вода в мензурке, если в ней будет плавать брусок; шар (рис. 193)?
638. Масса пробкового спасательного круга равна 4,8 кг. Определите подъемную силу этого круга в пресной воде.
639. Какой максимальной подъемной силой обладает плот, сделанный из 10 бревен объемом по 0,6 м3 каждое, если плотность дерева 700 кг/м3?
640. Плот состоит из 12 сухих еловых брусьев. Длина каждого бруса 4 м, ширина 30 см и толщина 25 см. Можно ли на этом плоту переправить через реку автомашину весом 10 кН?
641. Прямоугольная баржа длиной 5 м и шириной 3 м после загрузки осела на 50 см. Определите вес груза, принятого баржей.
642. Судно, погруженное в пресную воду до ватерлинии, вытесняет воду объемом 15 000 м3. Вес судна без груза равен 5 • 106 Н. Чему равен вес груза?
643. После разгрузки баржи ее осадка в реке уменьшилась на 60 см. Определите вес груза, снятого с баржи, если площадь сечения баржи на уровне воды равна 240 м2.
644. Площадь сечения теплохода на уровне воды равна 2000 м2. Сколько нужно добавить груза, чтобы теплоход погрузился в морской воде еще на 1,5 м, считая, что борта его на данном уровне вертикальны?
645. Сколько воды вытесняет плавающий деревянный брус длиной 3 м, шириной 30 см и высотой 20 см? (Плотность дерева 600 кг/м3.)
646. Площадь льдины 8 м2, толщина 25 см. Погрузится ли она целиком в пресную воду, если на нее встанет человек, вес которого равен 600 Н?
647. Какой минимальный объем должна иметь подводная часть надувной лодки массой 7 кг, чтобы удержать на воде юного рыболова, вес которого равен 380 Н?
648. Известно, что масса мраморной плиты равна 40,5 кг. Какую силу надо приложить, чтобы удержать эту плиту в воде?
649. Какую силу надо приложить, чтобы удержать под водой кусок пробкового дерева, масса которого равна 80 г?
650. Плавающее тело вытесняет керосин объемом 120 см3. Какой объем воды будет вытеснять это тело? Определите массу тела.
651. Используя данные рисунка 194, определите плотность камня.
652. Было установлено, что при полном погружении куска меди в керосин вес его уменьшается на 160 Н. Каков объем этого куска меди?
653. На коромысле весов уравновесили два одинаковых сосуда. Нарушится ли равновесие весов, если один сосуд поместить в открытую банку и заполнить ее углекислым газом (рис. 195)?
Равновесие весов нарушится, так как архимедова сила в случае углекислого газа больше, чем в воздухе. Поэтому правый сосуд перевесит.
654. Один из двух одинаковых воздушных шаров заполнили водородом, другой до такого же объема — гелием. Какой из этих шаров обладает большей подъемной силой? Почему?
Большей подъемной силой обладает шар, заполненный водородом, так как плотность водорода меньше плотности гелия.
655. Равны ли массы пятирублёвой монеты и куска пробки, уравновешенные на очень точных и чувствительных весах? Ответ объясните.
Массы пробки и монеты не равны из-за того, что на них действует различная сила Архимеда.
656. Назовите газы, в которых мог бы плавать мыльный пузырь, наполненный воздухом. (Весом пузыря пренебречь.)
Углекислый газ, озон, хлор, аргон, ксенон, криптон, находящиеся при давлении, равном атмосферному.
657. Детский шар объемом 0,003 м3 наполнен водородом. Масса шара с водородом 3,4 г. Какова подъемная сила детского шара?
658. Радиозонд объемом 10 м3 наполнен водородом. Какого веса радиоаппаратуру он может поднять в воздухе, если оболочка его весит 6 Н?
659. Масса снаряжения воздушного шара (оболочки, сетки, корзины) составляет 450 кг. Объем шара 1600 м3. Вычислите, какой подъемной силой будет обладать этот шар при наполнении его водородом, гелием, светильным газом. (Плотность светильного газа 0,4 кг/м3.)
660. Стратостат «СССР», на котором стратонавты поднялись на высоту 19 км, имел объем 24 500 м3. При подъеме в оболочке стратостата было только 3200 м3 водорода. Почему же объем оболочки сделали таким большим?
Объем оболочки стратостата был сделан с большим запасом, поскольку с высотой давление наружного воздуха падает.
Источник