Экспериментируйте, страница 145 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

Экспериментируйте

Попробуйте самостоятельно спроектировать ручной насос для подъема подземных вод на поверхность. Рассчитайте, с какой максимальной глубины можно поднять воду с помощью ручного насоса.

Проектирование ручного насоса

В качестве ручного насоса для подъема подземных вод можно спроектировать поршневой всасывающий насос. Его работа основана на использовании атмосферного давления.

Конструкция насоса включает:

1. Герметичный цилиндр.

2. Поршень, который может перемещаться внутри цилиндра. В поршне установлен первый (верхний) клапан, который может открываться только вверх.

3. Шток, соединенный с рукояткой для перемещения поршня.

4. Всасывающую трубу, опущенную в источник воды (колодец или скважину).

5. Второй (нижний или впускной) клапан, расположенный у основания цилиндра. Он также открывается только вверх.

6. Излив (носик) в верхней части цилиндра для выхода воды.

Принцип действия:

1. Такт всасывания (движение поршня вверх): При подъеме поршня с помощью рукоятки объем под ним увеличивается, что приводит к созданию области пониженного давления (разрежения). Атмосферное давление, действующее на поверхность воды в колодце, оказывается больше давления в трубе. Эта разница давлений заставляет воду подниматься по всасывающей трубе, открывать нижний клапан и заполнять полость цилиндра под поршнем. Верхний клапан (на поршне) в это время закрыт.

2. Такт нагнетания (движение поршня вниз): При опускании поршня вода под ним сжимается. Давление воды закрывает нижний клапан, предотвращая ее уход обратно в колодец. Одновременно это давление открывает верхний клапан на поршне, и вода перетекает в пространство над поршнем.

При следующем движении поршня вверх он не только всасывает новую порцию воды в цилиндр, но и поднимает столб воды, находящийся над ним, который в итоге выливается через излив. Повторение этих циклов обеспечивает подъем воды.

Ответ: Спроектирован ручной поршневой насос всасывающего типа. Его работа основана на создании разрежения в цилиндре, благодаря чему атмосферное давление поднимает воду из источника.

Расчет максимальной глубины подъема воды

Ручной насос всасывающего типа не "тянет" воду. Он лишь создает разрежение в трубе, а воду вверх "толкает" давление атмосферы, которое действует на поверхность воды в колодце. Таким образом, максимальная высота подъема воды ограничена величиной атмосферного давления. В идеальном случае, когда насос создает полный вакуум, высота столба воды уравновешивается атмосферным давлением.

Дано:

Нормальное атмосферное давление, $p_{атм} = 101325$ Па

Плотность пресной воды, $\rho = 1000$ кг/м³

Ускорение свободного падения, $g \approx 9,8$ м/с²

Найти:

Максимальную глубину подъема воды $h_{max}$.

Решение:

Давление, создаваемое столбом жидкости, определяется по формуле: $p_{ж} = \rho \cdot g \cdot h$ В предельном (идеальном) случае давление столба воды $p_{ж}$ уравновешивает атмосферное давление $p_{атм}$: $p_{атм} = \rho \cdot g \cdot h_{max}$ Из этой формулы выразим максимальную высоту $h_{max}$: $h_{max} = \frac{p_{атм}}{\rho \cdot g}$ Подставим значения в систему СИ: $h_{max} = \frac{101325 \text{ Па}}{1000 \text{ кг/м³} \cdot 9,8 \text{ м/с²}} = \frac{101325}{9800} \text{ м} \approx 10,34 \text{ м}$ Это теоретический предел. На практике максимальная глубина всасывания меньше (обычно не превышает 7-8 метров) из-за ряда факторов: невозможности создать идеальный вакуум, гидравлических потерь на трение воды в трубах, а также из-за испарения воды при низком давлении (давление насыщенных паров воды противодействует атмосферному).

Ответ: Теоретически с помощью ручного насоса всасывающего типа можно поднять воду с максимальной глубины около 10,34 метра.