Номер 6.25, страница 36 - гдз по физике 8-11 класс учебник, задачник Гельфгат, Генденштейн

Задачи. Механика. 6. Гидростатика и аэростатика - номер 6.25, страница 36.

Условие.

6.25. В озере на некоторой глубине плавает полый шар, полностью погруженный в воду. Можно ли считать, что шар находится в состоянии невесомости, поскольку его вес в воде «полностью исчез»? Будет ли ощущать невесомость человек, находящийся внутри шара?

Решение.

Решение 2.

Можно ли считать, что шар находится в состоянии невесомости, поскольку его вес в воде «полностью исчез»?

Нет, шар не находится в состоянии невесомости. Состояние, в котором плавает полностью погруженный шар, — это состояние безразличного равновесия. На шар действуют две силы: сила тяжести $F_т$, направленная вертикально вниз, и выталкивающая сила Архимеда $F_A$, направленная вертикально вверх.

Условие плавания тела, полностью погруженного в жидкость, заключается в том, что эти силы равны по модулю и противоположны по направлению: $F_т = F_A$. В результате равнодействующая всех сил, приложенных к шару, равна нулю, и он находится в покое или движется прямолинейно и равномерно.

Вес тела в жидкости (так называемый кажущийся вес) определяется как сила, с которой тело действует на опору или подвес, и равен разности силы тяжести и выталкивающей силы: $P_{каж} = F_т - F_A$. Поскольку в данном случае $F_т = F_A$, кажущийся вес шара действительно равен нулю.

Однако невесомость — это состояние, при котором отсутствует сила взаимодействия тела с опорой, что происходит, когда тело и его опора движутся только под действием силы тяжести (свободное падение). В рассматриваемой задаче сила тяжести, действующая на шар, никуда не исчезает, она просто уравновешена (скомпенсирована) выталкивающей силой со стороны воды. Таким образом, шар находится в состоянии равновесия, а не невесомости.

Ответ: Нет, шар не находится в состоянии невесомости. Он находится в состоянии равновесия, при котором сила тяжести уравновешена выталкивающей силой, из-за чего его кажущийся вес в воде равен нулю.

Будет ли ощущать невесомость человек, находящийся внутри шара?

Нет, человек, находящийся внутри шара, не будет ощущать невесомость. Он будет ощущать свой обычный вес.

На человека внутри шара действуют сила тяжести $F_{т.чел} = m_{чел}g$, направленная вниз, и сила нормальной реакции опоры $\text{N}$ со стороны дна шара, направленная вверх. Выталкивающая сила воды приложена к внешней поверхности шара и не действует непосредственно на человека.

Поскольку вся система (шар с человеком) находится в равновесии, ускорение человека равно нулю. Согласно второму закону Ньютона, векторная сумма сил, действующих на человека, равна нулю: $\vec{N} + \vec{F}_{т.чел} = 0$. В проекции на вертикальную ось это означает, что $N - F_{т.чел} = 0$, откуда $N = F_{т.чел}$.

Ощущение веса у человека создается именно силой реакции опоры $\text{N}$. Так как эта сила равна по модулю силе тяжести, действующей на человека ($m_{чел}g$), он будет ощущать свой полный, нормальный вес, как если бы он стоял на неподвижной поверхности на земле.

Ответ: Нет, человек внутри шара будет ощущать свой обычный вес, так как на него будет действовать сила реакции опоры со стороны дна шара, равная его силе тяжести.