Номер 1, страница 54 - гдз по физике 7 класс самостоятельные и контрольные работы Марон, Марон

Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Самостоятельные работы. СР-46. Действие жидкости и газа на погружённое в них тело. Вариант 2 - номер 1, страница 54.

Условие.

1. С какой целью ботинки водолаза делают с тяжёлыми свинцовыми подошвами?

Решение.

1. Ботинки водолаза делают с тяжёлыми свинцовыми подошвами по двум основным взаимосвязанным причинам: для создания отрицательной плавучести и для обеспечения устойчивости под водой.

Первая причина — преодоление выталкивающей силы. На любое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вертикально вверх. Её величина равна $F_А = \rho_{воды}gV$, где $\rho_{воды}$ — плотность воды, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, а $\text{V}$ — объём погружённого тела. Одновременно на тело действует сила тяжести, направленная вниз: $F_т = mg$. Сам по себе человек, а тем более в водолазном костюме, который содержит воздух, имеет большой объём и относительно небольшую среднюю плотность. Из-за этого выталкивающая сила может быть сравнима или даже больше силы тяжести, что будет выталкивать водолаза на поверхность. Чтобы уверенно опускаться на дно и ходить по нему, необходимо, чтобы сила тяжести значительно превышала выталкивающую силу ($F_т > F_А$). Тяжёлые свинцовые подошвы значительно увеличивают общую массу $\text{m}$ водолаза, при этом минимально увеличивая его объём $\text{V}$, так как свинец очень плотный материал. Это обеспечивает необходимый "запас веса" для работы на дне.

Вторая, и не менее важная причина — обеспечение устойчивости. Устойчивость тела в воде зависит от взаимного расположения центра тяжести (точки приложения силы $F_т$) и центра плавучести (точки приложения силы $F_А$, которая совпадает с центром объёма вытесненной воды). Центр плавучести водолаза находится примерно в области груди из-за объёма лёгких и воздуха в снаряжении. Размещая тяжёлый груз на ногах, общий центр тяжести всей системы (водолаз + снаряжение) смещается максимально вниз. Когда центр тяжести находится ниже центра плавучести, возникает устойчивое равновесие. Если водолаз наклонится, возникнет пара сил, создающая выпрямляющий момент, который вернёт его в вертикальное положение. Это позволяет водолазу уверенно стоять и передвигаться по дну, не рискуя перевернуться вверх ногами.

Ответ: Тяжёлые свинцовые подошвы необходимы водолазу, чтобы, во-первых, увеличить его общий вес и преодолеть выталкивающую силу воды, что позволяет ему ходить по дну, а не всплывать, и, во-вторых, чтобы сместить его центр тяжести вниз для обеспечения максимальной устойчивости в вертикальном положении.