Номер 25.12, страница 86 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 25. Атмосферное давление. Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов - номер 25.12, страница 86.

25.12 [н] Для обустройства душа незадачливый хозяин дачи поместил на чердаке герметичную пластиковую бочку и стал наполнять её водой (рис. III-55). Как только вода стала сливаться по водостоку, он выключил насос. Почему после этого, вопреки ожиданиям, вода продолжала выливаться в водосток, а бочка подверглась сильной деформации? Почему установка третьего шланга (пунктирная линия) спасла ситуацию?

Насос

Водоём

Рис. III-55

Почему после этого, вопреки ожиданиям, вода продолжала выливаться в водосток, а бочка подверглась сильной деформации?

Произошедшее объясняется двумя физическими явлениями: возникновением сифона и действием атмосферного давления.
1. Продолжение течения воды (сифонный эффект): Система, состоящая из подающего шланга (от водоёма к бочке) и водостока (от бочки вниз), образовала сифон. Когда вода начала переливаться через водосток, непрерывный столб жидкости в нём, уходящий вниз, создал в верхней части (внутри бочки) область пониженного давления. Атмосферное давление, действующее на поверхность воды в водоёме, оказалось достаточным, чтобы продолжать "выдавливать" воду вверх по подающему шлангу в бочку, откуда она тут же уходила в водосток. Таким образом, вода не просто вытекала из бочки, а прокачивалась через неё из водоёма напрямую в водосток. Этот процесс продолжался бы, пока уровень воды в водоёме не опустился бы ниже конца подающего шланга.
2. Деформация бочки: Бочка была герметично закрыта. Когда вода начала вытекать из неё под действием сифонного эффекта, воздух, оставшийся в бочке над водой, стал расширяться, занимая освободившийся объём. Согласно закону Бойля-Мариотта, при расширении газа его давление падает. В результате давление внутри бочки ($P_{вн}$) стало значительно ниже внешнего атмосферного давления ($P_{атм}$). Возникшая разница давлений $\Delta P = P_{атм} - P_{вн}$ создала огромную силу, направленную внутрь и действующую на всю поверхность бочки. Пластиковые стенки не выдержали такого внешнего давления и бочку "сплющило".

Ответ: Вода продолжала выливаться, так как подающий шланг и водосток образовали сифон, который перекачивал воду из водоёма. Бочка деформировалась из-за того, что внутри герметичной ёмкости создалось разрежение (низкое давление), и внешнее атмосферное давление сдавило её стенки.

Почему установка третьего шланга (пунктирная линия) спасла ситуацию?

Третий шланг, проведённый из верхней части бочки наружу, выполняет роль воздушного клапана или, по-другому, дренажной трубки для воздуха. Его основная функция — сообщать воздушное пространство внутри бочки с атмосферой.
Когда этот шланг установлен:
1. Предотвращение деформации: При любом изменении уровня воды в бочке (например, при её сливе через душ или переливе через водосток) воздух может свободно входить в бочку или выходить из неё через этот шланг. Это гарантирует, что давление внутри бочки всегда будет равно внешнему атмосферному давлению. Следовательно, исчезает разница давлений, которая приводила к деформации.
2. Разрушение сифонного эффекта: Установка шланга разрывает сифон. Теперь атмосферное давление действует не только на поверхность воды в водоёме, но и на поверхность воды внутри бочки (через этот шланг). Давления уравновешиваются, и вода больше не может "всасываться" из водоёма в бочку после отключения насоса. Вода из бочки будет вытекать через водосток только до тех пор, пока её уровень не опустится до края водосточной трубы, после чего слив прекратится. Бочка останется наполненной до нужного уровня.

Ответ: Третий шланг соединил внутреннее пространство бочки с атмосферой. Это выровняло давление внутри и снаружи бочки, что предотвратило её деформацию и разрушило сифонный эффект, который откачивал воду.