Номер 378, страница 53 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Давление в жидкости и газе. Закон Паскаля - номер 378, страница 53.

Условие.

378. Если пустую бутылку поставить на землю и ударить по горлышку сверху вниз, то разбить бутылку не удастся. Однако, наполнив бутылку водой доверху и закрыв пробкой, достаточно несильно ударить по пробке, и бутылка разбивается на части. Объясните этот необычный способ разбивания бутылок.

Решение.

Решение

Это явление объясняется физическими свойствами воды и законами гидравлики, в частности, законом Паскаля и явлением гидравлического удара.

Когда бутылка пуста, удар по горлышку передается через твердые стенки на опору. Воздух внутри бутылки легко сжимается и не оказывает существенного сопротивления, поэтому для разрушения бутылки требуется очень большая сила.

Когда бутылка наполнена водой и закрыта пробкой, ситуация меняется по нескольким причинам:

1. Несжимаемость воды: Вода, в отличие от воздуха, является практически несжимаемой жидкостью. Это означает, что при попытке уменьшить ее объем возникает очень большое давление.

2. Закон Паскаля: Согласно закону Паскаля, давление, производимое на жидкость, передается в любую точку жидкости одинаково по всем направлениям. При ударе по пробке с силой $\text{F}$ на ее малую площадь $S_1$ создается очень высокое давление $p = F/S_1$. Это давление мгновенно распространяется по всему объему воды.

3. Гидравлический рычаг: Созданное давление $\text{p}$ действует на всю внутреннюю поверхность бутылки, включая ее дно, площадь которого $S_2$ значительно больше площади пробки $S_1$. В результате на дно бутылки действует сила $F_2 = p \cdot S_2 = (F/S_1) \cdot S_2$. Поскольку $S_2 \gg S_1$, то сила, действующая на дно ($F_2$), во много раз превосходит силу удара $\text{F}$. Именно эта многократно усиленная сила и разрывает дно бутылки.

4. Инерция и гидравлический удар: При резком ударе пробка и столб воды под ней приходят в движение. Из-за инерции вся масса воды устремляется вниз. Поскольку дно бутылки неподвижно, движущаяся вода резко останавливается, что приводит к явлению гидравлического удара — кратковременному, но огромному скачку давления, который также способствует разрушению бутылки.

Таким образом, сочетание несжимаемости воды, закона Паскаля и инерции приводит к возникновению огромных сил внутри бутылки, которые легко разрушают стекло.

Ответ: Бутылка разбивается из-за того, что удар по пробке создает в практически несжимаемой воде огромное давление. Это давление, согласно закону Паскаля, передается на дно и стенки бутылки. Так как их площадь намного больше площади пробки, сила, действующая на них изнутри, становится во много раз больше силы удара, что и приводит к разрушению стекла. Дополнительный вклад вносит эффект гидравлического удара из-за инерции столба воды.