Номер 3, страница 218 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудить в классе. Параграф 64. Измерение скоростей молекул газа. Глава 9. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа - номер 3, страница 218.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Высокая скорость вращения цилиндров необходима для создания значительной по величине центробежной силы. Эта сила действует на любое тело, находящееся внутри или на поверхности вращающегося цилиндра, и направлена от центра вращения. Величина центробежной силы $F_{ц}$ зависит от массы тела $m$, радиуса цилиндра $r$ и, что самое важное, от угловой скорости вращения $\omega$. Эта зависимость описывается формулой:

$F_{ц} = m \cdot \omega^2 \cdot r$

Из этой формулы видно, что центробежная сила пропорциональна квадрату угловой скорости ($F_{ц} \sim \omega^2$). Это означает, что даже небольшое увеличение скорости вращения приводит к существенному росту силы. Например, если увеличить скорость вращения в 2 раза, центробежная сила возрастет в $2^2 = 4$ раза. Если увеличить скорость в 10 раз, сила возрастет в $10^2 = 100$ раз. Именно поэтому для достижения сильного эффекта цилиндры вращают с большой скоростью.

Этот принцип используется во многих устройствах и процессах:

Стиральные машины в режиме отжима: Барабан (цилиндр) вращается с очень высокой скоростью. Возникающая мощная центробежная сила выдавливает воду из ткани через отверстия в барабане, эффективно высушивая белье.

Центрифуги в лабораториях и промышленности: Они используются для разделения смесей на компоненты с разной плотностью. Например, для отделения сливок от молока или для разделения компонентов крови. Частицы с большей плотностью под действием центробежной силы смещаются дальше к стенкам цилиндра, что позволяет их разделить. Чем выше скорость, тем быстрее и эффективнее происходит разделение.

Создание искусственной гравитации: В проектах космических станций вращение больших цилиндрических модулей может использоваться для создания искусственной силы, подобной гравитации. Центробежная сила будет прижимать космонавтов и предметы к внутренней поверхности станции, что поможет минимизировать негативное влияние невесомости на здоровье.

Промышленные процессы: В таких устройствах, как каландры для производства бумаги или валковые прессы, высокая скорость вращения цилиндров (валков) увеличивает производительность и обеспечивает необходимое давление для обработки материала.

Ответ: Скорость вращения цилиндров должна быть большой для создания сильной центробежной силы. Величина этой силы прямо пропорциональна квадрату скорости вращения, поэтому увеличение скорости является очень эффективным способом для многократного усиления эффектов, основанных на этой силе, таких как отделение веществ, отжим жидкости, прессование или создание искусственной гравитации.