Номер 25.13, страница 87 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 25. Атмосферное давление. Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов - номер 25.13, страница 87.

25.13 [553^o] Вода из верхней пробирки (рис. III-56) выливается. Почему при этом внутренняя пробирка поднимается кверху?

Рис. III-56

Решение

В начальном положении, показанном на рисунке, внутренняя пробирка находится в состоянии равновесия. На неё действуют сила тяжести и сила давления столба воды из внешней пробирки, которые направлены вниз. Вверх на неё действуют выталкивающая сила (сила Архимеда) и сила давления газа (воздуха и паров воды), который заперт внутри неё.

Когда вода из верхней (внешней) пробирки выливается, уровень воды в ней понижается. Это ключевой момент для понимания явления.

Понижение уровня воды во внешней пробирке приводит к двум важным последствиям:

1. Уменьшается высота столба жидкости над внутренней пробиркой. Гидростатическое давление, которое создаёт столб жидкости, прямо пропорционально его высоте ($P = \rho g h$). Следовательно, сила давления, действующая на дно (в данном случае — верхнюю часть) внутренней пробирки и направленная вниз, значительно уменьшается.

2. Сила давления газа, запертого во внутренней пробирке, направлена вверх. При уменьшении внешнего давления (из-за понижения столба воды) нарушается первоначальное равновесие сил. Силы, действующие на пробирку вверх, начинают преобладать над силами, действующими вниз.

В результате возникает результирующая сила, направленная вертикально вверх, которая и заставляет внутреннюю пробирку подниматься.

Изображенные на рисунке пузырьки указывают на дополнительный эффект: падение давления над поверхностью воды во внутренней пробирке приводит к тому, что вода в ней начинает кипеть при более низкой температуре (возможно, даже при комнатной). Образующийся водяной пар вытесняет воду из внутренней пробирки. Замещение относительно тяжелой воды легким паром приводит к уменьшению общего веса системы «пробирка + содержимое», что ещё больше способствует её всплытию.

Ответ: Когда вода выливается из верхней (внешней) пробирки, уменьшается высота столба воды, который давит на внутреннюю пробирку сверху. Из-за этого уменьшается направленная вниз сила гидростатического давления. Сила давления газа, запертого внутри малой пробирки и направленная вверх, становится больше, чем сумма силы тяжести пробирки и силы внешнего давления воды. В результате этого нарушения равновесия внутренняя пробирка начинает подниматься вверх.