Металлический брусок плавает в сосуде в котором налита ртуть

Решение задач по физике из книги Савченко Н.Е. Решение задач по физике. – Мн.: Высш. школа, 2003. – 479 с.

346. Аквариум доверху наполнен водой. С какой средней силой давит вода на плоскую вертикальную стенку аквариума длиной l = 50 см и высотой h = 30 см? Плотность воды равна 1,0⋅103 кг/м3.

Решение. Средняя сила давления на стенку равна
 

[ left langle F right rangle = frac{p_{A} +p_{B}}{2} cdot S, ]

где рА = 0 — гидростатическое давление на поверхности воды (в точке А), pB = ρ⋅g⋅h — гидростатическое давление жидкости на глубине h (в точке В) (рис. 1), S = l⋅h — площадь стенки. Тогда
 

[ left langle F right rangle = frac{p_{B}}{2} cdot S = frac{rho cdot g cdot h}{2} cdot l cdot h = frac{rho cdot g cdot l cdot h^{2}}{2}, ]

<F> = 225 Н.

350. Полый шар, отлитый из чугуна, плавает в воде, погрузившись ровно наполовину. Найти объем полости шара, если масса шара m = 5 кг. Плотность чугуна ρ1 = 7,8⋅103 кг/м3, воды ρ2 = 1⋅103 кг/м3.

Решение. Условие плавания шара (рис. 1):

FA = m⋅g,

где FA = ρ2⋅g⋅Vp — архимедова сила, Vp = V/2 — объем погруженной части шара. Объем шара

V = V1 + V2,

где V1 = m/ρ1 — объем чугуна, V2 — объем полости. Тогда
 

[ rho _{2} cdot g cdot frac{V}{2} = m cdot g, , ; , V = frac{2m}{rho _{2}}, ; ; ; V_{2} = V-V_{1} = frac{2m}{rho _{2}} -frac{m}{rho _{1}} = m cdot left(frac{2}{rho _{2}} -frac{1}{rho _{1}} right), ]

V2 = 9,4⋅10–3 м3.

359. Металлический брусок плавает в сосуде, в который налита ртуть, а поверх нее — вода. При этом в ртуть брусок погружен на α1 = 1/4 своей высоты, а в воду — на α2 = 1/2 высоты. Найти плотность металла. Плотность ртути ρ1 = 13,6⋅103 кг/м3, плотность воды ρ2 = 1⋅103 кг/м3.

Решение. Условие плавания бруска:

FA1 + FA2 = m⋅g, (1)

где FA1 = ρ1⋅g⋅V1 — архимедова сила со стороны ртути, FA2 = ρ2⋅g⋅V2 — архимедова сила со стороны воды, m = ρ⋅V  — масса бруска.
Обозначим площадь основания бруска S, высоту — h (рис. 1). Тогда

V1 = S⋅h1 = α1⋅S⋅h,  V2 = S⋅h2 = α2⋅S⋅h,  V = S⋅h.

После подстановки в (1) получим

ρ = 3,9⋅103 кг/м3.

378. Однородная прямая призма, площадь основания которой S = 1 м2 и высота h = 0,4 м, плавает на поверхности воды так, что в воде находится половина ее объема. Найти минимальную работу, необходимую для полного погружения призмы в воду. Плотность воды ρ = 1,0⋅103 кг/м3.

Решение. При равномерном погружении призмы в воду будет увеличиваться архимедова сила, следовательно, должна изменяться и сила F, работу которой мы должны найти. Определим от каких параметров зависит эта сила F.
На призму действуют сила тяжести (m⋅g), архимедова сила (FA) и внешняя сила (F).
В начальный момент времени на призму еще не действует внешняя сила F (рис. 1):

m⋅g = FA1,

где FA1 = ρ⋅g⋅V1 = ρ⋅g⋅S⋅h1 = ρ⋅g⋅S⋅h/2. Тогда

m⋅g = ρ⋅g⋅S⋅h/2. (1)

В конечный момент времени, когда призма полностью в воде, внешняя сила F достигает максимального значения F2 (рис. 2):

0 = –m⋅g – F2 + FA2,

где FA2 = ρ⋅g⋅V = ρ⋅g⋅S⋅h. Тогда с учетом уравнения (1) получаем

F2 = FA2 – m⋅g = ρ⋅g⋅S⋅h – ρ⋅g⋅S⋅h/2 = ρ⋅g⋅S⋅h/2. (2)

Используя уравнение (2), построим график зависимости внешней силы F от глубины h (рис. 3). Работу этой силы можно найти графическим способом: работа силы F численно равна площади заштрихованной фигуры (треугольника)
 

[ A = frac{F_{2} cdot left(h-h_{1} right)}{2} = frac{1}{2} cdot rho cdot g cdot S cdot frac{h}{2} cdot frac{h}{2} = rho cdot g cdot S cdot frac{h^{2}}{8}, ]

A = 2⋅102 Дж.

383. Резиновый мяч, масса которого m и радиус R, погружают под воду на глубину h и отпускают. На какую высоту, считая от поверхности воды, подпрыгнет мяч? Плотность воды ρ. Сопротивление воды и воздуха при движении не учитывать.

Решение. Можно решать задачу, используя метод решения, предложенный в задаче 378, но будет математически сложно рассчитать работу архимедовой силы за промежуток времени, когда мяч начинает выходить из воды (объем, а значит и архимедова сила, не линейно изменяются от глубины погружения).
Поэтому воспользуемся другим методом: рассмотрим потенциальную энергию водяного шарика радиуса R, который заполнит то место, где был вначале мяч. То есть будет рассматривать энергию системы мяч-водяной шарик.
За нулевую высоту примем поверхность воды (рис. 1).
Полная механическая энергия системы в начальном состоянии

W0 = –m⋅g⋅h

(водяной шарик вначале был распределен по поверхности воды и его энергия равна нулю).

Полная механическая энергия системы в конечном состоянии

W = m⋅g⋅H – m2⋅g⋅h,

где [ m_{2} = rho cdot V = frac{4}{3} pi cdot R^{3} cdot rho ]  — масса водяного шарика. Из закона сохранения механической энергии следует, что

–m⋅g⋅h = m⋅g⋅H – m2⋅g⋅h,

[ H = frac{left(m_{2} -mright) cdot h}{m} = left(frac{m_{2} }{m} -1right) cdot h = left(frac{4pi }{3m} cdot R^{3} cdot rho -1 right) cdot h.
 ]

340. Длинная вертикальная трубка погружена одним концом в сосуд с ртутью. В трубку наливают m = 0,71 кг воды. Определить изменение уровня ртути в трубке. Диаметр трубки d = 0,06 м, плотность ртути ρ = 13,6⋅103 кг/м3. Толщиной стенок трубки пренебречь.

Решение. Когда трубка была в ртути без воды, то уровень ртути внутри трубки равен уровню ртути снаружи (рис. 1, а). Под давления воды в трубке ртуть опускается вниз на Δh (рис. 1, б). Найдем эту высоту Δh.
Рассмотрим давление в точке A. Сверху в данной точке давит вода (pv) и атмосфера (pa), снизу — ртуть (pp) и атмосфера (pa). Так как жидкость не движется, то

pv + pa = pp +pa,

где  [ p_{v} =frac{mcdot g}{S}, ; ; ; S=frac{pi cdot d^{2} }{4}, ] pp = ρ⋅g⋅Δh. Тогда
 

[ frac{4mcdot g}{pi cdot d^{2} } =rho cdot gcdot Delta h, ; ; ; Delta h=frac{4m}{rho cdot pi cdot d^{2} }, ]

Δh = 1,8⋅10–2 м.

Примечание. Данное решение верно только для случая, когда площадь поверхности сосуда во много раз больше площади поперечного сечения трубки, т.е. трубку считаем тонкой. Иначе пришлось бы учитывать изменение высоты ртути вне трубки (но для этого нужно знать площадь поперечного сечения сосуда).

341. В подводной части судна образовалось отверстие, площадь которого S = 5,0 см2. Отверстие находится ниже уровня воды на h = 3,0 м. Какая минимальная сила требуется, чтобы удержать заплату, закрывающую отверстие с внутренней стороны судна? Плотность воды ρ = 1,0⋅103 кг/м3.

Решение. Что бы удержать заплату, надо к ней приложить силу, не меньшую чем сила давления воды:

F ≥ p⋅S,

где p = ρ⋅g⋅h — гидростатическое давление воды на глубине h. Тогда

Fmin = ρ⋅g⋅h⋅S,

Fmin = 15 Н.

Примечание. Так размеры отверстия во много раз меньше глубины погружения, то изменением давления на разных участках отверстия пренебрегаем.

342. На какой глубине в открытом водоеме давление в n = 3,0 раза больше нормального атмосферного давления? Плотность воды ρ = 1,0⋅103 кг/м3, нормальное атмосферное давление p0 считать равным 1,0⋅105 Па.

Решение. На глубине открытого водоема давление равно

p = ρ⋅g⋅h + p0,

где p = n⋅p0 (по условию). Тогда
 

[ ncdot p_{0} =rho cdot gcdot h+p_{0}, ; ; ; rho cdot gcdot h=left(n-1right)cdot p_{0}, ; ; ; h=frac{left(n-1right)cdot p_{0} }{rho cdot g}, ]

h = 20 м.

343. В открытый цилиндрический сосуд налиты ртуть и вода в равных по массе количествах. Общая высота двух слоев жидкостей h = 29,2 см. Определить давление жидкостей на дно сосуда. Плотность ртути ρ1 = 13,6⋅103 кг/м3, плотность воды ρ2 = 1,00⋅103 кг/м3.

Решение. Давление жидкостей на дно сосуда будет равно

p = p1 + p2, (1)

где p1 = ρ1⋅g⋅h1 — давление ртути, p2 = ρ2⋅g⋅h2 — давление воды.
Найдем высоту столбца каждой жидкости h1 и h2. Пусть S — площадь поперечного сечения цилиндрического сосуда, тогда массы жидкостей будут равны

m1 = ρ1⋅V = ρ1⋅S⋅h1, m2 = ρ2⋅S⋅h2.

По условию

m1 = m2 и h1 = h2.

Тогда

ρ1⋅S⋅h1 = ρ2⋅S⋅h2 или ρ1⋅h1 = ρ2⋅h2,

[ h_{1} =frac{rho _{2} }{rho _{1} } cdot h_{2}, ; ; ; h=frac{rho _{2} }{rho _{1} } cdot h_{2} +h_{2} =frac{rho _{2} +rho _{1} }{rho _{1} } cdot h_{2}, ]

[ h_{1} =frac{rho _{2} }{rho _{2} +rho _{1} } cdot h. ]

После подстановки в уравнение (1) получаем:

[ p=rho _{1} cdot gcdot frac{rho _{2} }{rho _{2} +rho _{1} } cdot h+rho _{2} cdot gcdot frac{rho _{1} }{rho _{2} +rho _{1} } cdot h=frac{2rho _{1} cdot rho _{2} }{rho _{2} +rho _{1} } cdot gcdot h, ]

p = 5,44⋅103 Па.

Комментарий должен быть минимум 20 символов

Чтобы получить баллы за ответ войди на сайт

Лучшее из галереи за : неделю   месяц   все время