Номер 507, страница 69 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Архимедова сила. Плавание тел. Плавание судов. Воздухоплавание - номер 507, страница 69.

Условие.

507. Почему тёплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз?

Решение.

Это явление объясняется фундаментальными законами физики, связанными с плотностью газов и силой Архимеда.

Плотность воздуха и температура

Плотность вещества — это масса, содержащаяся в единице его объёма. Она рассчитывается по формуле $ \rho = m/V $. Когда воздух нагревается, составляющие его молекулы начинают двигаться быстрее и хаотичнее, отталкиваясь друг от друга на большее расстояние. В результате этого та же масса воздуха занимает больший объём, то есть воздух расширяется. Согласно формуле, если объём ($\text{V}$) увеличивается, а масса ($\text{m}$) остаётся прежней, то плотность ($ \rho $) уменьшается. Таким образом, тёплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный воздух.

Действие силы Архимеда

На любой объём газа (или жидкости), находящийся внутри другого газа (или жидкости), действует выталкивающая сила, известная как сила Архимеда. Эта сила направлена вертикально вверх и равна весу окружающего газа, вытесненного этим объёмом.

Когда объём тёплого, менее плотного воздуха оказывается в окружении более холодного и плотного воздуха, на него действуют две основные силы:

1. Сила тяжести, направленная вниз и пропорциональная плотности тёплого воздуха ($ \rho_{тёпл} $).

2. Выталкивающая сила Архимеда, направленная вверх и пропорциональная плотности окружающего холодного воздуха ($ \rho_{хол} $).

Поскольку плотность тёплого воздуха меньше плотности холодного ($ \rho_{тёпл} < \rho_{хол} $), выталкивающая сила оказывается больше силы тяжести. В результате возникает равнодействующая сила, направленная вверх, которая и заставляет тёплый воздух подниматься.

Почему холодный воздух опускается

С холодным воздухом происходит обратная ситуация. Он плотнее, чем окружающий его более тёплый воздух ($ \rho_{хол} > \rho_{тёпл} $). Поэтому сила тяжести, действующая на объём холодного воздуха, оказывается больше, чем выталкивающая сила со стороны тёплого воздуха. В результате холодный воздух опускается вниз.

Этот процесс непрерывного перемещения воздушных масс (тёплые вверх, холодные вниз) называется естественной конвекцией. Он играет ключевую роль во многих природных явлениях, таких как формирование ветров и облаков, а также в работе систем отопления.

Ответ: Тёплый воздух поднимается вверх, потому что при нагревании он становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Из-за этого выталкивающая сила (сила Архимеда) становится больше силы тяжести, и воздух "всплывает". Холодный воздух, наоборот, плотнее тёплого, поэтому сила тяжести для него оказывается больше выталкивающей силы, и он опускается вниз.