Номер 19.48, страница 69 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 19. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Глава 2. Движение и взаимодействие тел - номер 19.48, страница 69.

19.48 [Д. 92] Если перестать удерживать лёгкий воздушный шарик, наполненный горячим воздухом, то он взлетит вверх. Аналогично поведёт себя в начальный момент надутый, не завязанный верёвочкой резиновый шарик, если вы, держа его отверстием вниз, разожмёте пальцы. Какие причины вызывают движение шарика вверх в первом и во втором случаях?

Решение

Движение шариков в обоих описанных случаях происходит по разным физическим причинам. Рассмотрим каждый случай отдельно.

В первом случае

Движение вверх шарика, наполненного горячим воздухом, объясняется действием выталкивающей силы, известной как сила Архимеда. Согласно закону Архимеда, на любое тело, погруженное в жидкость или газ (в данном случае, в воздух), действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная по модулю весу вытесненного телом объема жидкости или газа.

Плотность горячего воздуха ($ \rho_{гор} $) внутри шарика меньше плотности окружающего его более холодного воздуха ($ \rho_{хол} $). Выталкивающая сила $ F_{А} $, действующая на шарик, определяется плотностью окружающего воздуха и объемом шарика $ V $: $ F_{А} = \rho_{хол} \cdot g \cdot V $, где $ g $ — ускорение свободного падения.

На шарик действует сила тяжести $ F_{т} $, которая равна сумме веса оболочки шарика ($ m_{об} $) и веса горячего воздуха внутри него: $ F_{т} = (m_{гор} + m_{об}) \cdot g = (\rho_{гор} \cdot V + m_{об}) \cdot g $.

Шарик будет подниматься вверх, если выталкивающая сила будет превосходить силу тяжести: $ F_{А} > F_{т} $. Так как шарик назван "лёгким", а плотность горячего воздуха значительно меньше плотности холодного ($ \rho_{гор} < \rho_{хол} $), это условие выполняется. Иными словами, средняя плотность системы "шарик + горячий воздух" меньше плотности окружающего воздуха.

Ответ: Причиной движения вверх шарика с горячим воздухом является архимедова (выталкивающая) сила, которая превышает суммарную силу тяжести, действующую на шарик и находящийся в нем воздух.

Во втором случае

Движение этого шарика основано на принципе реактивного движения, которое является прямым следствием третьего закона Ньютона.

Воздух внутри надутого шарика находится под давлением, превышающим атмосферное. Когда мы отпускаем шарик, этот сжатый воздух начинает с высокой скоростью вырываться наружу через отверстие, направленное вниз.

Согласно третьему закону Ньютона, сила действия равна силе противодействия. Шарик с силой выталкивает из себя струю воздуха (действие, направленное вниз). В свою очередь, вылетающая струя воздуха с такой же по величине, но противоположной по направлению силой действует на шарик (противодействие, направленное вверх).

Эта сила, действующая на шарик со стороны вытекающего воздуха, называется реактивной силой. Именно она и заставляет шарик двигаться вверх. Этот же принцип лежит в основе движения ракет.

Ответ: Причиной движения вверх надутого, но не завязанного шарика является реактивная сила, возникающая из-за того, что шарик отбрасывает от себя массу воздуха в противоположном направлении, в соответствии с третьим законом Ньютона.