Объясните, страница 140 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

Объясните

1. Почему вода из опрокинутой бутылки выливается рывками, с бульканьем, а из резиновой медицинской грелки вытекает ровной сплошной струей?

2. Что произойдет, если на разных высотах в трубке Торричелли просверлить отверстия небольшого диаметра?

1. Почему вода из опрокинутой бутылки выливается рывками, с бульканьем, а из резиновой медицинской грелки вытекает ровной сплошной струей?

Это явление объясняется разницей в свойствах сосудов (жесткости) и взаимодействием с атмосферным давлением.

Когда мы переворачиваем бутылку, которая является жестким сосудом, вода начинает выливаться под действием силы тяжести. По мере вытекания воды, в верхней части бутылки образуется пространство с пониженным давлением (разрежение). Внешнее атмосферное давление, которое значительно больше, чем давление внутри, препятствует дальнейшему вытеканию воды. Чтобы вода могла вылиться, в бутылку должен войти воздух и занять освободившееся место, выравнивая давление. Воздух прорывается внутрь через то же горлышко, через которое выливается вода. Этот процесс происходит порционно: порция воды выливается, давление внутри падает, затем порция воздуха (пузырь) с характерным «булькающим» звуком заходит внутрь, после чего выливается следующая порция воды. Это и создает прерывистый, «рывковый» характер течения.

В случае с резиновой медицинской грелкой ситуация иная. Грелка сделана из эластичного материала. Когда из нее вытекает вода, внешнее атмосферное давление и упругость стенок сжимают грелку, уменьшая ее внутренний объем. Таким образом, объем, освобождаемый водой, компенсируется не за счет входа воздуха, а за счет деформации самого сосуда. Давление на воду внутри (создаваемое столбом воды и сжимающимися стенками) остается постоянным, что обеспечивает непрерывное и равномерное вытекание воды сплошной струей, пока она не закончится.

Ответ: Вода из жесткой бутылки выливается рывками, потому что для выравнивания давления внутрь должен периодически прорываться воздух, прерывая поток воды. Стенки эластичной грелки сжимаются по мере вытекания воды, поэтому воздух для компенсации объема не нужен, и вода вытекает сплошной струей под действием постоянного давления.

2. Что произойдет, если на разных высотах в трубке Торричелли просверлить отверстия небольшого диаметра?

Опыт Торричелли демонстрирует существование атмосферного давления. В запаянной с одного конца трубке, заполненной ртутью и перевернутой в чашу с ртутью, устанавливается столб ртути высотой около 760 мм (при нормальном атмосферном давлении). Над столбом ртути образуется безвоздушное пространство — торричеллиева пустота, где давление близко к нулю. Столб ртути уравновешивается внешним атмосферным давлением, действующим на поверхность ртути в чаше.

На любой высоте давление внутри трубки будет меньше, чем атмосферное давление снаружи на той же высоте. Рассмотрим два случая.

Первый случай: отверстие просверлено в области торричеллиевой пустоты (выше столба ртути). Давление внутри трубки здесь практически равно нулю ($p_{внутр} \approx 0$), в то время как снаружи действует атмосферное давление $p_{атм}$. Из-за этой огромной разницы давлений ($p_{атм} \gg p_{внутр}$) воздух снаружи немедленно устремится внутрь трубки.

Второй случай: отверстие просверлено в области, занятой столбом ртути. Давление внутри трубки на этой высоте создается весом столба ртути над отверстием, и оно всегда будет меньше, чем полное давление атмосферы, которое уравновешивает весь столб. Давление снаружи на той же высоте будет больше, чем внутри. Следовательно, воздух также будет входить внутрь трубки, поднимаясь в виде пузырьков к торричеллиевой пустоте.

В обоих случаях попадание воздуха в трубку приведет к увеличению давления над столбом ртути. Внешнее атмосферное давление больше не сможет удерживать столб ртути на прежней высоте. В результате столб ртути в трубке опустится, и вся ртуть из трубки выльется в чашу до тех пор, пока уровни ртути внутри трубки и в чаше не сравняются.

Ответ: Независимо от высоты, на которой будет просверлено отверстие, воздух под действием большего внешнего атмосферного давления войдет внутрь трубки. Это приведет к заполнению торричеллиевой пустоты и падению столба ртути до уровня ртути в сосуде.