В два цилиндрических сообщающихся сосуда наливают ртуть сечение
Автор Тема: Жидкости и газы из сборника задач Савченко Н.Е. (Прочитано 47209 раз)
0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.
361. В цилиндрических сообщающихся сосудах находится ртуть. Отношение диаметров сосудов n = d1/d2 = 0,25. В узкий сосуд наливают воду; высота столба воды h = 80 см. На сколько опустится уровень ртути в узком сосуде и на сколько он поднимется в широком? Плотность воды ρ1 = 1,0⋅103 кг/м3, ртути ρ2 = 13,6⋅103 кг/м3.
Решение. Для сообщающихся сосудов выполняются условие равновесия жидкости (в однородной жидкости на одном уровне гидростатические давления равны) (рис. 1):
рА = рВ,
где pА = ρ2⋅g⋅h2, pВ = ρ1⋅g⋅h. Тогда
ρ2⋅g⋅h2 = ρ1⋅g⋅h или ρ1⋅h = ρ2⋅h2. (1)
Из рисунка 1 видно, что
h2 = Δh1 + Δh2, (2)
где Δh1 – высота, на которую опустится ртуть в узком сосуде, Δh2 – высота, на которую поднимется ртуть в широком сосуде.
Из условия не сжимаемости воды
ΔV1 = ΔV2, S1⋅Δh1 = S2⋅Δh2,
где [ S_{1} = frac{pi cdot d_{1}^{2} }{4}, ; ; ; S_{2} =frac{pi cdot d_{2}^{2} }{4} ] – площади поперечного сечения сосудов, d1/d2 = n – по условию. Тогда
[ frac{pi cdot d_{1}^{2} }{4} cdot Delta h_{1} =frac{pi cdot d_{2}^{2} }{4} cdot Delta h_{2}, ; ; ; Delta h_{2} =Delta h_{1} cdot left(frac{d_{1} }{d_{2} } right)^{2} =n^{2} cdot Delta h_{1}.
]
После подстановки в уравнение (2) получаем:
h2 = Δh1 + n2⋅Δh1 = Δh1⋅(1 + n2).
Подставим в уравнение (1)
[ rho _{1} cdot h=rho _{2} cdot Delta h_{1} cdot left(1+n^{2} right), ; ; ; Delta h_{1} =frac{rho _{1} cdot h}{rho _{2} cdot left(1+n^{2} right)}, ; ; ; Delta h_{2} =frac{rho _{1} cdot h cdot n^{2} }{rho _{2} cdot left(1+n^{2} right)}, ]
Δh1 = 5,5⋅10-2 м, Δh2 = 3,5⋅10-3 м.
Записан
362. В сообщающиеся сосуды налита ртуть, поверх которой в один из сосудов налита вода. Разность уровней ртути Δh = 20 мм. Плотность ртути ρ1 = 13,6⋅103 кг/м3, воды ρ2 = 1,0⋅103 кг/м3. Найти высоту столба воды.
Решение. Для сообщающихся сосудов выполняются условие равновесия жидкости (в однородной жидкости на одном уровне гидростатические давления равны) (рис. 1):
рА = рВ,
где pА = ρ1⋅g⋅Δh, pВ = ρ2⋅g⋅h2. Тогда
ρ1⋅g⋅Δh = ρ2⋅g⋅h2 или ρ1⋅Δh = ρ2⋅h2,
[ h_{2} =frac{rho _{1} cdot Delta h}{rho _{2}}, ]
h2 = 0,27 м.
Записан
363. В двух сообщающихся цилиндрических сосудах с одинаковыми поперечными сечениями площадью S = 1⋅10-2 м2 находится ртуть. В одни из сосудов поверх ртути наливают воду массой m1 = 20 кг и опускают в нее плавать груз массой m2 = 7,2 кг. На сколько поднимется уровень ртути во втором сосуде? Плотность ртути ρ = 13,6⋅103 кг/м3.
Решение. Для сообщающихся сосудов выполняются условие равновесия жидкости (в однородной жидкости на одном уровне гидростатические давления равны) (рис. 1):
рА = рВ,
где pА = ρ⋅g⋅h. Давление в точке В можно найти разными способами.
1 способ. Давление pВ = ρ1⋅g⋅h3, где ρ1 – плотность воды, h3 = h1 + h2, h1 – высота столбца воды массой m1, h2 – высота столбца воды, вытесненная при погружении в воду тела массой m2 и т.п.
2 способ. Так как тело плавает в воде, то давление воды и плавающего тела в точке В
[ p_{B} = frac{left(m_{1} +m_{2} right)cdot g}{S}. ]
Тогда
[ rho cdot g cdot h=frac{left(m_{1} +m_{2} right)cdot g}{S}, ;; ; rho cdot h=frac{m_{1} +m_{2} }{S}.;;; (1) ]
Из рисунка 1 видно, что
h = Δh1 + Δh2,
где Δh1 – высота, на которую поднимется ртуть, Δh2 – высота, на которую ртуть опустится.
Из условия не сжимаемости воды
ΔV1 = ΔV2, S⋅Δh1 = S⋅Δh2, Δh1 = Δh2.
В итоге получаем, с учетом уравнения (1):
[ h=2Delta h_{1} =frac{m_{1} +m_{2} }{Scdot rho }, ; ; ; Delta h_{1} =frac{m_{1} +m_{2} }{2Scdot rho }, ]
Δh1 = 0,1 м.
Записан
364. Шарик массой m = 40 г плавает в одном из двух одинаковых цилиндрических сообщающихся сосудов, заполненных водой (рис. 1). Площадь поперечного сечения каждого сосуда S = 20 см2. На сколько изменится уровень воды, если вынуть шарик? Плотность воды ρ = 1,0 г/см3.
Решение. На шарик действуют силы тяжести (m⋅g) и архимедова сила (FA). Запишем условие плавания тела:
FA = m⋅g,
где FA = ρ⋅g⋅Vn, Vn – объем части шарика, погруженного в воду. Тогда
ρ⋅g⋅Vn = m⋅g или ρ⋅Vn = m.
Если шарик вынуть из воды, то объем воды уменьшиться на Vn. Так как вода занимается два сообщающихся сосуда площадью S каждый, то уровень воды (высота столбца) уменьшиться на
[ Delta h=frac{V_n}{2S}=frac{m}{2rho cdot S}, ]
Δh = 1⋅10-2 м.
Записан
365. Два цилиндрических сосуда соединены у дна тонкой трубкой с краном (рис. 1). Один сосуд имеет площадь поперечного сечения S1 = 15 см2, второй – S2 = 5,0 см2. Сосуды заполнены водой: первый до высоты h1 = 20 см, второй до высоты h2 = 40 см. Каков будет уровень воды в сосудах, если открыть кран К в соединительной трубке?
Решение. Так как давление на дно сосуда больше в правом сосуде, то после открытия кран К вода будет перетекать с правого сосуда в левый. Пусть высота столбца жидкости в сосудах станет равной h3, уровень воды в сосуде площадью S1 увеличится на Δh1, в сосуде площадью S2 уменьшится на Δh2 (рис. 2). Из рисунка видно, что
Δh1 = h3 – h1, (1)
Δh2 = h2 – h3. (2)
Из условия не сжимаемости воды
ΔV1 = ΔV2, S1⋅Δh1 = S2⋅Δh2. (3)
Решим систему уравнений (1)-(3). Например,
S1⋅(h3 – h1) = S2⋅(h2 – h3), h3⋅(S1 + S2) = S1⋅h1 + S2⋅h2,
[ h_{3} =frac{S_{1} cdot h_{1} +S_{2} cdot h_{2} }{S_{1} +S_{2}}, ]
h3 = 0,25 м.
« Последнее редактирование: 13 Декабря 2011, 19:00 от alsak »
Записан
366. Деталь отлита из сплава железа и никеля. Определить, сколько процентов по объему составляют железо и никель, а также объем всей детали, если в воздухе деталь весит Р1 = 33,52 Н, а в воде – Р2 = 29,60 Н. Плотность железа ρ1 = 7,9⋅103 кг/м3, никеля ρ2 = 8,9⋅103 кг/м3, воды ρ3 = 1,0⋅103 кг/м3. Архимедову силу в воздухе не учитывать.
Решение. Будем считать, что вес детали определяют при помощи динамометра. Тогда вес детали – это сила упругости пружины динамометра.
В воздухе на деталь, подвешенной к динамометру, действует сила тяжести ((m1 + m2)⋅g) и сила упругости (Fy1) (архимедову силу в воздухе не учитывать) (рис. 1). Из проекции второго закона Ньютона получаем:
P1 = Fy1 = (m1 + m2)⋅g,
где m1 = ρ1⋅V1 – масса железа в детали, V1 – объем железа, m2 = ρ2⋅V2 – масса никеля в детали, V2 – объем никеля. Тогда
P1 = (ρ1⋅V1 + ρ2⋅V2)⋅g. (1)
В воде на деталь, подвешенной к динамометру, действует сила тяжести ((m1 + m2)⋅g), сила упругости (Fy2) и архимедова сила (FA) (рис. 2). Из проекции второго закона Ньютона получаем:
P2 = Fy2 = (m1 + m2)⋅g – FA,
где FA = ρ3⋅g⋅V, V = V1 + V2 – объем всей детали. Тогда
P2 = (ρ1⋅V1 + ρ2⋅V2)⋅g – ρ3⋅g⋅(V1 + V2). (2)
Решим систему уравнений (1)-(2) и найдем V1, V2 и V. Например,
[ P_{2} =P_{1} -rho _{3} cdot gcdot left(V_{1} +V_{2} right), ; ; ; V=V_{1} +V_{2} =frac{P_{1} -P_{2} }{rho _{3} cdot g}, ]
V = 4⋅10-4 м3.
V2 = V – V1, P1 = (ρ1⋅V1 + ρ2⋅(V – V1))⋅g,
(ρ1 – ρ2)⋅V1⋅g = P1 – ρ2⋅V⋅g,
[ V_{1} =frac{P_{1} }{left(rho _{1} -rho _{2} right)cdot g} -frac{rho _{2} cdot V}{rho _{1} -rho _{2} }, ; ; ; frac{V_{1} }{V} =frac{P_{1} }{left(rho _{1} -rho _{2} right)cdot g} cdot frac{1}{V} -frac{rho _{2} }{rho _{1} -rho _{2} } = ]
[ =frac{P_{1} }{left(rho _{1} -rho _{2} right)cdot g} cdot frac{rho _{3} cdot g}{P_{1} -P_{2} } -frac{rho _{2} }{rho _{1} -rho _{2} } =left(frac{P_{1} cdot rho _{3} }{P_{1} -P_{2} } -rho _{2} right)cdot frac{1}{rho _{1} -rho _{2}}, ]
V1/V = 0,35 (35%), V2/V = 1 – 0,35 = 0,65 (65%).
Записан
367. Браслет массой М = 80 г сделан из сплава золота и серебра. Вычислить массу золота, содержащегося в браслете, располагая следующими данными: плотность золота ρ1 = 19,3 г/см3, плотность серебра ρ2 = 10,5 г/см3; при погружении браслета в воду, находящуюся в сосуде с вертикальными стенками и площадью основания S = 25 см2, уровень воды поднимается на h = 2,0 мм.
Решение. Масса браслета равна
M = m1 + m2,
где m1 = ρ1⋅V1 – масса золота в браслете, V1 – объем золота, m2 = ρ2⋅V2 – масса серебра в браслете, V2 – объем серебра. Тогда
M = ρ1⋅V1 + ρ2⋅V2. (1)
При погружении в воду браслет вытесняет объем воды, равный объему тела, т.е.
V = S⋅h = V1 + V2. (2)
Решим систему уравнений (1)-(2). Например,
V2 = S⋅h – V1, M = ρ1⋅V1 + ρ2⋅(S⋅h – V1),
(ρ1 – ρ2)⋅V1 = M – ρ2⋅S⋅h,
[ V_{1} =frac{M-rho _{2} cdot Scdot h}{rho _{1} -rho _{2}}, ; ; ; m_{1} =rho _{1} cdot V_{1} =rho _{1} cdot frac{M-rho _{2} cdot Scdot h}{rho _{1} -rho _{2}}, ]
m1 = 6,0⋅10-2 кг.
Записан
368. Согласно желанию сиракузского властителя, Архимед должен был определить содержание золота в короне, состоящей из золотых и серебряных частей, не разрушая ее. Для этого Архимед взвесил корону в воздухе и получил вес P1 = 25,4 Н, а затем в воде, получив вес Р2 = 23,4 Н. Зная плотность золота, серебра и воды (соответственно ρ1 = 19,3 г/см3, ρ2 = 10,5 г/см3 и ρ3 = 1,00 г/см3), определить, как и Архимед, массу золота, содержащегося в этой короне. Ускорение свободного падения считать равным g = 10,0 м/с2.
Решение. Будем считать, что вес короны определяли при помощи динамометра. Тогда вес короны – это сила упругости пружины динамометра.
В воздухе на корону, подвешенной к динамометру, действует сила тяжести ((m1 + m2)⋅g) и сила упругости (Fy1) (архимедову силу в воздухе не учитывать) (рис. 1). Из проекции второго закона Ньютона получаем:
P1 = Fy1 = (m1 + m2)⋅g,
где m1 = ρ1⋅V1 – масса золота в короне, V1 – объем золота, m2 = ρ2⋅V2 – масса серебра в детали, V2 – объем серебра. Тогда
P1 = (ρ1⋅V1 + ρ2⋅V2)⋅g. (1)
В воде на корону, подвешенной к динамометру, действует сила тяжести ((m1 + m2)⋅g), сила упругости (Fy2) и архимедова сила (FA) (рис. 2). Из проекции второго закона Ньютона получаем:
P2 = Fy2 = (m1 + m2)⋅g – FA,
где FA = ρ3⋅g⋅V, V = V1 + V2 – объем всей короны. Тогда
P2 = (ρ1⋅V1 + ρ2⋅V2)⋅g – ρ3⋅g⋅(V1 + V2). (2)
Решим систему уравнений (1)-(2), найдем V1 и m1. Например,
[ P_{2} =P_{1} -rho _{3} cdot gcdot left(V_{1} +V_{2} right), ; ; ; V=V_{1} +V_{2} =frac{P_{1} -P_{2} }{rho _{3} cdot g}, ]
V2 = V – V1, P1 = (ρ1⋅V1 + ρ2⋅(V – V1))⋅g,
(ρ1 – ρ2)⋅V1⋅g = P1 – ρ2⋅V⋅g,
[ V_{1} =frac{P_{1} -rho _{2} cdot Vcdot g}{left(rho _{1} -rho _{2} right)cdot g} =frac{rho _{3} cdot P_{1} -rho _{2} cdot left(P_{1} -P_{2} right)}{left(rho _{1} -rho _{2} right)cdot rho _{3} cdot g}, ; ; ; m_{1} =rho _{1} cdot V_{1} =rho _{1} cdot frac{rho _{3} cdot P_{1} -rho _{2} cdot left(P_{1} -P_{2} right)}{left(rho _{1} -rho _{2} right)cdot rho _{3} cdot g} , ]
m1 = 0,965 кг.
Записан
369. В цилиндрическом сосуде с не смешивающейся с водой жидкостью, плотность которой ρ = 1,2 г/см3, при температуре t = 0 °С плавает льдинка массой m = 1 кг. На сколько изменится уровень этой жидкости в сосуде, когда льдинка растает? Площадь основания сосуда S = 0,1 м2.
Решение. После того как льдинка растаяла, объем жидкости в сосуде увеличился на объем воды V, полученной из льдинки. Но плотность воды меньше плотности жидкости, поэтому вся вода окажется сверху, и уровень жидкости опустится до первоначальной высоты h.
1 способ. Объем вытесненной жидкости
[V_{vt} =V_{1} +V_{2} =frac{mcdot g}{rho cdot g} =frac{m}{rho } =S_{1} cdot left(h_{1} +h_{2} right).]
Объем жидкости, которая поднялась – это
[V_{1} =left(S-S_{1} right)cdot h_{2} =S_{1} cdot h_{1} .]
Из второго уравнения получаем
[S_{1} cdot left(h_{1} +h_{2} right)=Scdot h_{2} .]
И тогда
[S_{1} cdot left(h_{1} +h_{2} right)=Scdot h_{2} =frac{m}{rho } ,; ; h_{2} =frac{m}{Scdot rho } .]
2 способ. Изменение давления на дно сосуда равно
[Delta p=frac{mcdot g}{S} =rho cdot gcdot Delta h,; ; Delta h=h_{2} =frac{m}{rho cdot S} .]
Ответ. Уровень жидкости опустится на h2 = 8,3⋅10-3 м.
« Последнее редактирование: 21 Августа 2019, 17:27 от alsak »
Записан
370. Теплоход, войдя в гавань, выгрузил часть груза; при этом его осадка уменьшилась на h = 0,6 м. Найти массу груза, оставленного теплоходом в гавани, если площадь поперечного сечения теплохода на уровне ватерлинии S = 5400 м2. Плотность воды ρ = 1⋅103 кг/м3.
Решение. На теплоход с грузом действуют сила тяжести теплохода (m1⋅g), архимедова сила (FA1) и вес груза (m2⋅g) (рис. 1, а). Тело неподвижно, поэтому уравнение второго закона Ньютона в проекции на вертикальную ось имеет вид:
FA1 – m1⋅g – m2⋅g = 0,
где FA1 = ρ⋅g⋅V1, V1 = S⋅h1, h1 – глубина погружения теплохода с грузом. Тогда
ρ⋅g⋅S⋅h1 – m1⋅g – m2⋅g = 0. (1)
На теплоход без груза действуют сила тяжести теплохода (m1⋅g), архимедова сила (FA2) (рис. 1, б). В проекции на вертикальную ось получаем:
FA2 – m1⋅g = 0,
где FA2 = ρ⋅g⋅V2, V2 = S⋅h2, h2 – глубина погружения теплохода без груза, h2 = h1 – h. Тогда
ρ⋅g⋅S⋅(h1 – h) – m1⋅g = 0. (2)
Решим систему уравнений (1)-(2). Например,
ρ⋅g⋅S⋅h1 – m1⋅g = m2⋅g, ρ⋅g⋅S⋅h1 – m1⋅g – ρ⋅g⋅S⋅h = 0,
m2⋅g = ρ⋅g⋅S⋅h, m2 = ρ⋅S⋅h,
m2 = 3,2⋅106 кг.
Записан
Источник
Абитуриенту
А. В. Дедов,
МЭИ (ТУ), г. Москва;
М. Г. Тимошин,
МЭИ (ТУ), г. Москва
Окончание. См. № 4, 8/09
Задача 16
Лестница опирается на гладкую вертикальную стенку, образуя с ней угол α = 30°. Нижний конец лестницы находится на шероховатом полу. При каком коэффициенте трения между лестницей и полом человек, взбирающийся вверх по лестнице, сможет достичь её вершины? Масса человека в n = 3 раза больше массы лестницы.
Решение
Используем два условия равновесия: сумма сил равна нулю:
m1g + m2g + N1 + N2 + F = 0. (1)
и сумма моментов сил относительно верхнего конца лестницы равна нулю:
Здесь m1 – масса лестницы, m2 – масса человека, l – длина лестницы.
Чтобы человек мог подняться по лестнице, сила трения покоя должна быть не больше силы трения скольжения (Fтр ≤ µN1).
Проецируя уравнение (1) на ось Y с учётом m2 = nm1 и Fтр ≤ µN1 и преобразуя уравнение (2), получим:
Задача 17
Кубик массой m = 1 кг движется по наклонной плоскости, расположенной под углом α = 30° к горизонту, на двух небольших выступах. Определите силы, действующие в местах контакта кубика с плоскостью. Коэффициент трения µ = 0,05.
Решение
Так как в условии задачи одновременно заданы угол α и коэффициент трения µ, то кубик движется равноускоренно. Следовательно, для использования при решении условий равновесия сумму моментов сил находим относительно центра масс кубика, и сумму сил рассматриваем в проекции на ось Y системы отсчёта, связанной с кубиком. Этим самым мы исключаем при решении инерциальную силу, которая приложена к центру масс и направлена против оси Х, т.е. решаем задачу в неинерциальной системе отсчёта:
Задача 18
В двух сообщающихся цилиндрических сосудах с одинаковым поперечным сечением S = 1 · 10-2 м2 находится ртуть. В один из сосудов поверх ртути наливают воду массой m1 = 25 кг и в неё опускают плавать груз массой m2 = 2,2 кг. На какую высоту h переместится уровень ртути во втором сосуде? Плотность ртути ρрт = 13,6 · 103 кг/м3.
Решение
По закону Паскаля, давление на ртуть в сечении II будет в обоих коленах одинаковым. Давление в левом колене в правом Pпрρртg · 2h, где h – высота перемещения уровня ртути в правом колене, сечение I – первоначальный уровень ртути.
Тогда Окончательно получим:
Задача 19
Плавающий куб погружён в ртуть на 1/3 своего объёма. Какая часть куба будет погружена в ртуть, если поверх ртути налить слой воды, полностью закрывающий куб? Плотность ртути ρрт = 13,6 · 103 кг/м3, плотность воды ρв = 1,0 · 103 кг/м3.
Решение
По условию плавания, mg = FA1 + FA2, где FA1 – сила Архимеда, действующая на куб со стороны ртути, FA2 – со стороны воды.
FA1 = ρртgV1 = ρртgxa2;
FA2 = ρвgV2 = ρвga2(a – x).
Здесь V1 – часть объёма куба со стороной а, находящейся в ртути, V2 – часть объёма, находящаяся в воде, x – глубина погружения в ртуть.
После подстановки получим
m = ρртxa2 + ρв(a – x)a2. (1)
При отсутствии воды mg = ρртgV. Так как V = 1/3a3, то
m = 1/3ρртa3. (2)
Из (1) и (2) получим
Задача 20
В озере плавает плоская льдина массой m = 36 кг и площадью S = 0,2 м2. Какую минимальную работу надо совершить, чтобы полностью утопить льдину? Плотность льдины ρл = 900 кг/м3, плотность воды ρв = 1,0 · 103 кг/м3.
Решение
Исходя из условия плавания льдины:
FA + F + mg = 0,
где FA – сила Архимеда, F – сила, которую прикладывают, топя льдину, модуль силы F меняется от нуля до максимального значения, когда льдина будет полностью утоплена. В проекции на ось Х получим FA – F – mg = 0, или
F = FA – mg = ρвgS(H – x) – mg, (1)
где H – толщина льдины.
Из условия плавания льдины при отсутствии силы F следует, что
mg = ρвgS(H – h ), (2)
где в этом случае x = h – расстояние от верхней плоскости льдины до воды.
Из уравнений (1) и (2) получим
F = ρвgS(h – x). (3)
При x = 0 Fmax = ρвgSh.
Зависимость модуля силы F от расстояния x, как видно из уравнения (1), является линейной. Тогда работу, которую надо совершить, чтобы утопить льдину, можно рассчитать как
Из уравнения (2), подставив получим
Подставив h в формулу для работы, окончательно найдём:
Источник