Номер 1, страница 80, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 7. Закон архимеда. Плавание тел. Параграф 65. Закон Архимеда для газов. Воздухоплавание. Вопросы и задания - номер 1, страница 80.

Условие.

1. Чем объясняется наличие максимальной высоты («потолка») для воздушного шара, которую он не в состоянии преодолеть?

Решение.

1. Существование максимальной высоты подъема («потолка») для воздушного шара объясняется фундаментальными физическими принципами, связанными с плаванием тел в газах (закон Архимеда) и изменением свойств атмосферы с высотой.

Подъем воздушного шара происходит за счет архимедовой (выталкивающей) силы, которая действует на шар со стороны окружающего воздуха. Эта сила равна весу воздуха, вытесненного объемом шара:

$F_A = \rho_{возд} \cdot g \cdot V_{шара}$

где $\rho_{возд}$ — плотность окружающего воздуха, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, а $V_{шара}$ — объем шара.

На шар также действует сила тяжести, направленная вниз. Она складывается из веса оболочки шара, корзины, оборудования, пассажиров ($m_{груза}$) и веса находящегося внутри него газа (например, нагретого воздуха):

$F_g = (m_{груза} + \rho_{газа} \cdot V_{шара}) \cdot g$

где $\rho_{газа}$ — плотность газа внутри шара.

Шар будет подниматься вверх до тех пор, пока выталкивающая сила $F_A$ больше силы тяжести $F_g$. Подъемная сила, которая заставляет шар двигаться вверх, равна разности этих сил: $F_{подъемная} = F_A - F_g$.

Основная причина существования «потолка» заключается в том, что с увеличением высоты плотность атмосферного воздуха ($\rho_{возд}$) уменьшается.

Поскольку выталкивающая сила $F_A$ прямо пропорциональна плотности окружающего воздуха, она ослабевает по мере подъема шара. В то же время сила тяжести $F_g$ остается практически постоянной (изменение $\text{g}$ с высотой незначительно).

В итоге шар достигает такой высоты, где разреженный воздух уже не может создать достаточную выталкивающую силу, чтобы компенсировать вес шара. На этой высоте силы уравновешиваются ($F_A = F_g$), подъемная сила становится равной нулю, и подъем прекращается. Эта предельная высота и называется «потолком».

Ответ: Наличие «потолка» для воздушного шара объясняется уменьшением плотности атмосферного воздуха с увеличением высоты. Из-за этого уменьшается выталкивающая (архимедова) сила. Шар перестает подниматься, когда достигает высоты, на которой выталкивающая сила становится равной его силе тяжести.