Сосуд с водой подвешено на длинных нитях
На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, действуют, как мы знаем, силы давления. Так как давление увеличивается с глубиной погружения, то силы давления, действующие на нижнюю часть тела и направленные вверх, больше, чем силы, действующие на верхнюю его часть и направленные вниз, и мы можем ожидать, что равнодействующая сил давления будет направлена вверх. Опыт подтверждает это предположение.
Рис. 258. Если груз погружен в воду, показание динамометра уменьшается
Рис. 259. Пробка, погруженная в воду, натягивает нитку
Если, например, гирю, подвешенную к крючку динамометра, опустить в воду, то показание динамометра уменьшится (рис. 258).
Равнодействующая сил давления на тело, погруженное в жидкость, называется выталкивающей силой. Выталкивающая сила может быть больше силы тяжести, действующей на тело; например, кусок пробки, привязанный к дну сосуда, наполненного водой, стремясь всплыть, натягивает нитку (рис. 259). Выталкивающая сила возникает и в случае частичного погружения тела. Кусок дерева, плавающий на поверхности воды, не тонет именно благодаря наличию выталкивающей силы, направленной вверх.
Если тело, погруженное в жидкость, предоставить самому себе, то оно тонет, остается в равновесии или всплывает на поверхность жидкости в зависимости от того, меньше ли выталкивающая сила силы тяжести, действующей на тело, равна ей или больше ее. Выталкивающая сила зависит от рода жидкости, в которую, погружено тело. Например, кусок железа тонет в воде, но плавает в ртути; значит, в воде выталкивающая сила, действующая на этот кусок меньше, а в ртути — больше силы тяжести.
Найдем выталкивающую силу, действующую на твердое тело, погруженное в жидкость.
Рис. 260. а) Тело находится в жидкости, б) Тело заменено жидкостью
Выталкивающая сила, действующая на тело (рис. 260 а), есть равнодействующая сил давления жидкости на его поверхность. Представим себе, что тело удалено и его место занято той же жидкостью (рис. 260, б). Давление на поверхность такого мысленно выделенного объёма будет таким же, каким было давление на поверхность самого тела. Значит, и равнодействующая сила давления на тело (выталкивающая сила) равна равнодействующей сил давления на выделенный объем жидкости. Но выделенный объем жидкости находится в равновесии. Силы, действующие на него, — это сила тяжести
и выталкивающая сила
(рис. 261, а). Значит, выталкивающая сила равна по модулю силе тяжести, действующей на выделенный объем жидкости, и направлена вверх. Точкой приложения этой силы должен быть центр тяжести выделенного объема. В противном случае равновесие нарушилось бы, так как сила тяжести и выталкивающая сила образовали бы пару сил (рис. 261, б). Но, как уже сказано, выталкивающая сила для выделенного объема совпадает с выталкивающей силой тела. Мы приходим, таким образом, к закону Архимеда:
Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна по модулю силе тяжести, действующей на жидкость в объеме, занимаемом телом (вытесненный объем), направлена вертикально вверх и приложена в центре тяжести этого объема. Центр тяжести вытесненного объема называют центром давления.
Рис. 261. а) Равнодействующая сил давления на поверхность погруженного тела равна силе тяжести, действующей на жидкость, объем которой равен объему тела, б) Если бы точка приложения равнодействующей силы не совпадала с центром тяжести вытесненного объема жидкости, то получилась бы пара сил и равновесие этого объема было бы невозможным
Для тела, имеющего простую форму, можно вычислить выталкивающую силу, рассмотрев силы давления на его поверхность. Пусть, например, тело, погруженное в жидкость, имеет форму прямого параллелепипеда и расположено так, что две его противолежащие грани горизонтальны (рис. 262). Площадь его основания обозначим через
, высоту — через
, а расстояние от поверхности до верхней грани — через
.
Равнодействующая сил давления жидкости составляется из сил давления на боковую поверхность параллелепипеда и на его основания. Силы действующие на боковые грани, взаимно уничтожаются, так как для противолежащих граней силы давления равны по модулю и противоположны по направлению. Давление на верхнее основание равно
, на нижнее основание равно
. Следовательно, силы давления на верхнее и на нижнее основания равны соответственно
,
причем сила
направлена вниз, а сила
— вверх. Таким образом, равнодействующая
всех сил давления на поверхность параллелепипеда (выталкивающая сила) равна разности модулей сил
и
:
,
и направлена вертикально вверх. Но
— это объем параллелепипеда, а
— масса вытесненной телом жидкости. Значит, выталкивающая сила действительно равна по модулю силе тяжести, действующей на вытесненный объем жидкости.
Рис. 262. К вычислению выталкивающей силы
Рис. 263. Опытная проверка закона Архимеда при помощи «ведерка Архимеда»
Если тело, подвешенное к чашке весов, погрузить в жидкость, то весы показывают разность между весом тела и выталкивающей силой, т. е. весом вытесненной жидкости. Поэтому закону Архимеда придают иногда следующую формулировку: тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.
Для иллюстрации справедливости этого вывода сделаем следующий опыт (рис. 263): пустое ведерко
(«ведерко Архимеда») и сплошной цилиндр
, имеющий объем, в точности равный вместимости ведерка, подвесим к динамометру. Затем, подставив сосуд с водой, погрузим цилиндр в воду; равновесие нарушится, и растяжение динамометра уменьшится. Если теперь наполнить ведерко водой, то динамометр снова растянется до прежней длины. Потеря в весе цилиндра как раз равна весу воды в объеме цилиндра.
По закону равенства действия и противодействия выталкивающей силе, с которой жидкость действует на погруженное тело, соответствует сила, с которой тело действует на жидкость. Эта сила направлена вертикально вниз и равна весу жидкости, вытесненной телом. Следующий опыт демонстрирует сказанное (рис. 264). Неполный стакан с водой уравновешивают на весах. Затем в стакан погружают тело, подвешенное на штативе; при этом чашка со стаканом опускается, и для восстановления равновесия приходится добавить на другую чашку гирю, вес которой равен весу воды, вытесненной телом.
Рис. 264. Вес гири, которую нужно положить на левую чашку весов, равен весу воды, вытесненной телом
160.1.
Найдите выталкивающую силу, действующую на погруженный в воду камень массы 3 кг, если его плотность равна
.
160.2.
Куб с ребром 100 мм погружен в сосуд, наполненный водой, поверх которой налит керосин так, что линия раздела обеих жидкостей проходит посередине ребра куба. Найдите выталкивающую силу, действующую на куб. Плотность керосина равна
.
160.3
. Кусок пробки массы 10 г, обмотанный медной проволокой с поперечным сечением
, остается в равновесии в воде, не погружаясь и не всплывая (табл. 1). Найдите длину проволоки.
160.4.
Что произойдет с весами, находящимися в равновесии, если в стакане с водой, стоящий на чашке весов, погрузить палец, не прикасаясь пальцем ни к дну, ни к стенкам стакана?
160.5.
К чашкам весов подвешены на нитках кусок меди и кусок железа массы 500 г каждый (табл. 1). Нарушится ли равновесие, если медь погрузить в воду, а железо — в керосин плотности
. Гирю какой массы и на какую чашку весов нужно поставить, чтобы восстановить равновесие?
Источник
Статьи
Среднее общее образование
Физика
Предлагаем вашему вниманию разбор 29 задания ЕГЭ-2018 по физике. Мы подготовили пояснения и подробный алгоритм решения, а также рекомендации по использованию справочников и пособий, которые могут понадобиться при подготовке к ЕГЭ.
20 марта 2018
Задание 29
Деревянный шар привязан нитью ко дну цилиндрического сосуда с площадью дна S = 100 см2. 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.
Решение
| |
Рис. 1 | Рис. 2 |
Первоначально деревянный шар привязан нитью ко дну цилиндрического сосуда площадью дна S = 100 см2 = 0,01 м2 и полностью погружен в воду. На шар действуют три силы: сила тяжести со стороны Земли, – сила Архимеда со стороны жидкости, – сила натяжения нити, результат взаимодействия шара и нити. По условию равновесия шара в первом случае геометрическая сумма всех действующих на шарик сил, должна быть равна нулю:
ЕГЭ-2018. Физика. Сдаем без проблем!
В книге содержатся материалы для успешной сдачи ЕГЭ по физике: краткие теоретические сведения по всем темам, задания разных типов и уровней сложности, решение задач повышенного уровня сложности, ответы и критерии оценивания. Учащимся не придется искать дополнительную информацию в интернете и покупать другие пособия. В данной книге они найдут все необходимое для самостоятельной и эффективной подготовки к экзамену. Издание содержит задания разных типов по всем темам, проверяемым на ЕГЭ по физике, а также решение задач повышенного уровня сложности.
Купить
Выберем координатную ось OY и направим ее вверх. Тогда с учетом проекции уравнение (1) запишем:
Fa1 = T + mg (2).
Распишем силу Архимеда:
Fa1 = ρ · V1g (3),
где V1 – объем части шара погруженной в воду, в первом это объем всего шара, m – масса шара , ρ – плотность воды. Условие равновесия во втором случае
Fa2 = mg (4)
Распишем силу Архимеда в этом случае:
Fa2 = ρ · V2g (5),
где V2 – объем части шара, погруженной в жидкость во втором случае.
Поработаем с уравнениями (2) и (4) . Можно использовать метод подстановки или вычесть из (2) – (4), тогда Fa1 – Fa2 = T, используя формулы (3) и (5) получим ρ · V1g – ρ · V2g = T;
ρg (V1 – V2) = T (6)
Учитывая, что
V1 – V2 = S ·h (7),
где h = H1 – H2; получим
T = ρ · g · S · h (8)
Подставим числовые значения
| T = 1000 | кг | · 10 | м | · 5 · 10–2 м = 5 Н |
| м3 | с2 |
Ответ: 5 Н.
ЕГЭ-2018. Физика. 30 тренировочных вариантов экзаменационных работ
Издание содержит:
• 30 тренировочных вариантов ЕГЭ
• инструкцию по выполнению и критерии оценивания
• ответы ко всем заданиям
Тренировочные варианты помогут учителю организовать подготовку к ЕГЭ, а учащимся – самостоятельно проверить свои знания и готовность к сдаче выпускного экзамена.
Купить
Источник
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