Номер 3, страница 94 - гдз по физике 7 класс рабочая тетрадь Минькова, Иванова

Объясните работу поршневого насоса с воздушной камерой.

Работа насоса основана на двух тактах, связанных с движением поршня (1) с помощью рукоятки (5).

1. Движение поршня вверх (всасывание). Когда поршень (1) движется вверх, под ним создается разреженное пространство (область пониженного давления). Атмосферное давление, действующее на поверхность воды в источнике, становится больше, чем давление под поршнем. В результате этой разницы давлений вода устремляется вверх по всасывающей трубе, открывает всасывающий клапан (2) и заполняет полость цилиндра под поршнем. При этом нагнетательный клапан (3) остается закрытым под действием давления воды, находящейся над ним.

2. Движение поршня вниз (нагнетание). Когда поршень (1) движется вниз, он давит на воду, находящуюся под ним. Давление воды в цилиндре возрастает, что приводит к закрытию всасывающего клапана (2). Когда давление воды в цилиндре становится больше, чем давление в воздушной камере (4), открывается нагнетательный клапан (3). Вода выталкивается из цилиндра в воздушную камеру и далее в водоотводную трубу.

Эти циклы повторяются, обеспечивая подъем воды.

Ответ: Работа насоса заключается в циклическом движении поршня: при его подъеме вода засасывается в цилиндр под действием атмосферного давления, а при опускании — выталкивается в нагнетательную трубу.

Какую роль играет в этом насосе воздушная камера?

Воздушная камера (4) играет роль сглаживающего буфера. Во время движения поршня вниз (такт нагнетания) вода поступает в воздушную камеру. Уровень воды в камере повышается, и воздух, находящийся в верхней части камеры, сжимается. Во время движения поршня вверх (такт всасывания), когда подача воды из цилиндра прекращается, сжатый воздух в камере расширяется и выталкивает накопленную воду в водоотводную трубу. Таким образом, воздушная камера обеспечивает более равномерный и непрерывный, а не прерывистый (пульсирующий), поток воды на выходе из насоса.

Ответ: Воздушная камера служит для выравнивания потока воды, делая его непрерывным и равномерным.

Можно ли поднять этим насосом воду с глубины, большей 10,3 м?

Подъем воды в данном насосе происходит за счет разницы между атмосферным давлением снаружи и пониженным давлением, создаваемым под поршнем. Предельная высота подъема воды определяется величиной нормального атмосферного давления.

Дано:

Заданная глубина, с которой сравниваем, $h_{ср} = 10,3 \text{ м}$

Нормальное атмосферное давление, $p_{атм} \approx 101325 \text{ Па}$

Плотность воды, $\rho \approx 1000 \text{ кг/м}^3$

Ускорение свободного падения, $g \approx 9,8 \text{ м/с}^2$

Найти:

Возможность подъема воды с глубины $H > 10,3 \text{ м}$.

Решение:

Максимальная теоретическая высота подъема воды $h_{max}$ достигается, когда под поршнем создается идеальный вакуум (давление равно нулю). В этом случае давление столба воды уравновешивается атмосферным давлением:

$p_{атм} = \rho \cdot g \cdot h_{max}$

Отсюда можно выразить максимальную высоту:

$h_{max} = \frac{p_{атм}}{\rho \cdot g}$

Подставим числовые значения:

$h_{max} = \frac{101325 \text{ Па}}{1000 \text{ кг/м}^3 \cdot 9,8 \text{ м/с}^2} \approx 10,34 \text{ м}$

Это теоретический предел в идеальных условиях. В реальности из-за невозможности создать полный вакуум, потерь на трение, а также из-за испарения воды при низком давлении (кавитации), максимальная высота подъема воды таким насосом всегда меньше теоретической и на практике не превышает 7–8 метров. Следовательно, поднять воду с глубины, большей 10,3 м (и даже равной ей), невозможно, так как для этого не хватит сил атмосферного давления.

Ответ: Нет, этим насосом нельзя поднять воду с глубины, большей 10,3 м, так как эта глубина является теоретическим пределом высоты подъема воды под действием нормального атмосферного давления.