Номер 8, страница 29 - гдз по физике 7 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. ТЗ-15. Атмосферное давление - номер 8, страница 29.

Условие.

8. Почему и при каких условиях переливается жидкость по трубке в нижний сосуд (рис. 39)? Где на практике применяют такое приспособление (сифон)?

Рис. 39

Решение.

Почему и при каких условиях переливается жидкость по трубке в нижний сосуд?

Переливание жидкости по трубке из верхнего сосуда в нижний, как показано на рисунке, происходит благодаря работе сифона. Действие сифона основано на разности давлений, которая возникает из-за разницы высот столбов жидкости в его коленах.

Движущей силой является сила тяжести, действующая на столб жидкости. Атмосферное давление $P_{атм}$ воздействует на поверхность жидкости в верхнем сосуде, заставляя ее подниматься в трубку. Вес столба жидкости в нисходящем колене (от самой высокой точки до выходного отверстия) больше, чем вес столба жидкости в восходящем колене (от уровня жидкости в верхнем сосуде до самой высокой точки). Эта разница весов создает перепад давлений, который и заставляет жидкость непрерывно течь из верхнего сосуда в нижний, пока уровень жидкости в нем не опустится до уровня входного отверстия трубки или пока уровни в обоих сосудах не сравняются.

Для того чтобы сифон работал, необходимо соблюдение следующих условий:

1. Трубка сифона должна быть полностью заполнена жидкостью. Наличие пузырьков воздуха может разорвать сплошность потока и прекратить переливание. Поэтому перед началом работы сифон необходимо "запустить", например, всосав жидкость в трубку.

2. Выходное отверстие трубки должно находиться ниже уровня свободной поверхности жидкости в верхнем сосуде. Именно эта разность высот создает необходимый для течения перепад давлений.

3. Высота подъема жидкости в сифоне (от уровня в верхнем сосуде до самой высокой точки трубки $\text{H}$) ограничена. Давление в самой верхней точке трубки равно $P = P_{атм} - \rho g H$, где $\rho$ – плотность жидкости, а $\text{g}$ – ускорение свободного падения. Давление не может быть отрицательным, поэтому должно выполняться условие $\rho g H < P_{атм}$. Для воды при нормальном атмосферном давлении максимальная высота подъема $\text{H}$ составляет около 10,3 метров.

Ответ: Жидкость переливается из-за разности давлений, создаваемой весом столбов жидкости в восходящей и нисходящей частях трубки. Условия для работы сифона: трубка заполнена жидкостью, выходное отверстие трубки находится ниже уровня жидкости в верхнем сосуде, и высота изгиба трубки над уровнем жидкости в верхнем сосуде не превышает теоретического предела, определяемого атмосферным давлением (около 10 м для воды).

Где на практике применяют такое приспособление (сифон)?

Сифоны находят широкое применение в быту, технике и промышленности благодаря своей простоте и надежности. Вот несколько примеров:

1. Бытовое использование: Для переливания жидкостей из одной емкости в другую без использования насоса. Например, для слива воды из аквариума, бассейна, затопленного подвала, или для переливания топлива из канистры в бак.
2. Сантехника: Гидравлический затвор (также называемый сифоном) под раковинами, ваннами и в унитазах. Изогнутая форма трубы задерживает часть воды, которая образует "водяную пробку", препятствующую проникновению неприятных запахов из канализации в помещение.
3. Ирригация и строительство: Сифоны используются в системах полива для подачи воды из оросительных каналов на поля, а также для осушения котлованов и траншей.
4. Промышленность: Для безопасной перекачки различных жидкостей, в том числе агрессивных или горючих, между резервуарами без использования насосов.
5. Кулинария: Существуют специальные сифоны для газирования воды (сатураторы) и для приготовления взбитых сливок. Также известен сифонный способ заваривания кофе.
6. Историческая инженерия: В древности сифоны использовались в акведуках для преодоления естественных препятствий, таких как овраги и низины.

Ответ: Сифоны применяются для слива воды из аквариумов и бассейнов, в качестве гидравлических затворов в сантехнике, для переливания топлива, в ирригационных системах, в промышленности для транспортировки жидкостей, а также в некоторых кулинарных устройствах.