W wodzie, na wodzie

i w powietrzu

(hydrostatyka, aerostatyka)

ia

na 7

Rozwi¹z

W wodzie, na wodzie i w powietrzu

(hydrostatyka, aerostatyka)

131 We wszystkich przypadkach chodzi o zwiêkszenie lub zmniejszenie ciœ-

nienia.

a U¿ywaj¹c dobrze zaostrzonego no¿a, dzia³amy si³¹ o okreœlonej wartoœci na bardzo ma³¹ powierzchniê cia³a, które chcemy przekroiæ, wywieramy wiêc bardzo du¿e ciœnienie.

b W tych przypadkach chodzi nam o zmniejszenie ciœnienia. Du¿e ciœnienie wywierane przez w¹skie paski plecaka mo¿e powodowaæ ból i tworzenie siê odcisków na ramionach.

c K³ad¹c siê na lodzie, ratownik wywiera na lód ma³e ciœnienie i ma szansê bezpiecznie dotrzeæ do ton¹cego.

132 Obliczamy ciœnienie wywierane przez pomnik:

F

6000 N

N

p =

=

3

.

2

=1500 2 = ×

1,5 10 Pa =1,5 kPa

1

S

4 m

m

Ciœnienie wywierane przez patyk:

1 N

1 N

1 N

1 N

p =

=

2 =

2 =

2 =

2

p r

×

3,14 (0,3 cm)

×

3,14 (0,003 m)

3,14 (3 10-3 m)2

× ×

1 N

106 N

106 N

N

=

»35,4 kPa .

6

2 =

2 =

2 = 35386

×

3,14

× -

9 10

m

×

3,14 9 m

28,26 m

m 2

p

35,4 kPa

2 =

=23,6 .

p

1,5 kPa

1

Ciœnienie wywierane przez patyk jest 23,6 razy wiêksze od cisnienia wywierane-go przez pomnik.

133

a Gaz wywiera ciœnienie na œcianki naczynia przez uderzanie cz¹steczek.

Mog¹ byæ dwie przyczyny wzrostu ciœnienia: 1) wzrost liczby uderzeñ cz¹steczek w dan¹ œciankê naczynia w pewnym czasie, 2) wzrost wartoœci si³y, jak¹

(œrednio) wywiera przy uderzeniu ka¿da cz¹steczka. W œciankê uderzaj¹ sil-niej te cz¹steczki, które maj¹ wiêksz¹ szybkoœæ i masê. Masy pojedynczych cz¹steczek gazu w naczyniu na ogó³ nie da siê zmieniæ, ale mo¿na zwiêkszyæ ich œredni¹ szybkoœæ i wtedy ciœnienie wzroœnie.

230

Rozwi¹zania

7

b Aby zwiêkszyæ liczbê uderzeñ cz¹steczek w œciankê mo¿na zmniejszyæ ob-jêtoœæ naczynia (np. wsun¹æ t³ok do cylindra), albo wpompowaæ do naczynia wiêcej gazu. Obydwa te sposoby prowadz¹ do zagêszczenia cz¹steczek. Aby zwiêkszyæ œredni¹ szybkoœæ chaotycznego ruchu cz¹steczek wystarczy zwiêkszyæ jego temperaturê (temperatura bezwzglêdna gazu i œrednia energia kinetyczna jego cz¹steczek s¹ do siebie wprost proporcjonalne).

Oczywiœcie mo¿na oba wymienione sposoby zastosowaæ równoczeœnie – wtedy ciœnienie gazu gwa³townie wzroœnie.

134

a

objêtoœæ V (dm3 )

gêstoœæ r (g dm3 )

objêtoœæ V (dm3 )

gêstoœæ r (g dm3 )

1,0

1,0

0,5

2,0

0,9

1,1

0,4

2,5

0,8

1,2

0,3

3,3

0,7

1,4

0,2

5,0

0,6

1,7

0,1

10,0

r (g/dm3)

10

5

0,5

1,0

V (dm3)

231

W wodzie, na wodzie i w powietrzu

(hydrostatyka, aerostatyka)

b

m (g)

1

0,5

1,0

V (dm3)

c Gdy objêtoœæ zmaleje 2,5 razy (1 : 0,4 = 2,5), to w ka¿dej jednostce objêto-

œci naczynia bêdzie siê musia³o zmieœciæ 2,5 razy wiêcej cz¹steczek.

Nie mam pewnoœci, ¿e ciœnienie gazu wzroœnie. Na pewno zwiêkszy siê liczba uderzeñ cz¹steczek w œcianki naczynia w danym czasie. Gdyby jednak równoczeœnie temperatura gazu obni¿y³a siê, to œrednia energia kinetyczna cz¹steczek uleg³aby zmniejszeniu. Wtedy cz¹steczki uderza³yby w œcianki naczynia s³abiej, tak, ¿e ciœnienie gazu mog³oby pozostaæ sta³e, a nawet mog³oby zmaleæ.

135 Tata u¿ywa³ wk³adu z zasklepionym koñcem. Powietrze zamkniête nad atramentem ogrzewa³o siê od cia³a i jego ciœnienie wzrasta³o. Zgodnie z prawem Pascala cisnienie rozchodzi siê we wszystkich kierunkach, tak wiêc na powierzchniê atramentu dzia³a³a si³a, która powodowa³a jego nadmierne wyp³ywanie przez szczelinê wokó³ kulki.

136 Piotrek ma zamiar skorzystaæ z okreœlenia ciœnienia, z prawa Pascala i pierwszej zasady dynamiki. Jeœli samochód stoi na p³askim podwórku, to wartoœæ r

si³y, jak¹ naciska na pod³o¿e jest równa wartoœci jego ciê¿aru F . Niezale¿nie czy c

F

opony s¹ napompowane, czy nie, samochód wywiera na pod³o¿e ciœnienie p c

=

,

S

gdzie S jest ca³kowit¹ powierzchni¹, któr¹ wszystkie cztery ko³a stykaj¹ siê z zie-mi¹. Jeœli je pompujemy, ciœnienie powietrza od wewn¹trz staje siê równe ciœ-

nieniu wywieranemu na ko³a od pod³o¿a, st¹d, znaj¹c ciœnienie w ko³ach i powierzchniê zetkniêcia kó³ z pod³o¿em mo¿emy obliczyæ ciê¿ar samochodu: F = p× S .

c

232

Rozwi¹zania

7

Im wiêksze ciœnienie w oponach ko³a, tym mniejsz¹ powierzchni¹ ko³a stykaj¹ siê z pod³o¿em, bo iloczyn tych dwóch wielkoœci musi byæ równy wartoœci ciê¿aru samochodu. Mo¿na to zauwa¿yæ, pompuj¹c np. ko³a roweru.

Obliczenia Piotrka nie s¹ dok³adne, bo np. nie uwzglêdni³ si³y sprê¿ystoœci opony rozszerzajacej siê przy pompowaniu.. Dlatego mówimy, ¿e Piotrek „oszacowa³”

wartoœæ ciê¿aru samochodu.

137

a T³oczek strzykawki powinien byæ maksy-

malnie wciœniêty. Ig³ê zanurzamy w cieczy i

odci¹gamy t³oczek. Pod t³oczkiem powstaje

pró¿nia i panuj¹ce nad ciecz¹ ciœnienie at-

mosferyczne wt³acza ciecz do ig³y i wnêtrza

strzykawki.

b Od góry na kartkê naciska s³up wody, a od

do³u wywierane jest ciœnienie atmosferycz-

ne, które nie pozwala kartce oderwaæ siê od

szklanki.

c Jeœli w naczyniu jest tylko jeden otwór:

ten, którym pijemy sok, wówczas w miarê ubywania soku, ciœnienie powietrza w naczyniu maleje, bo na miejsce wypitego soku nie mo¿e dostaæ siê powietrze z zewn¹trz. Wtedy naczynie, jeœli nie jest sztywne, „zapada siê” do wnêtrza.

Jeœli zrobimy drugi otwór, którym powietrze dostaje siê do naczynia, nad so-kiem panuje zawsze ciœnienie atmosferyczne i pijemy go bez przeszkód.

d Wykonana z plastiku lub gumy przy-

ssawka ma kszta³t pow³oki kulistej. Je-

œli szybkim ruchem przyciœniemy j¹ do

g³adkiej powierzchni, czêœæ powietrza

zostaje usuniêta spod pow³oki, a wy-

wierane z zewn¹trz ciœnienie atmosfe-

ryczne nie pozwala jej siê oderwaæ od

powierzchni, do której zosta³a przyciœ-

niêta.

233

W wodzie, na wodzie i w powietrzu

(hydrostatyka, aerostatyka)

138

a

p

»0,26 At ,

10 km

pn. p. m

1 At

»

»3,8 .

p

0,26 At

10 km

Ciœnienie na wysokoœci 10 km jest przesz³o 3,8 razy mniejsze od ciœnienia na poziomie morza.

b p = ( H - h) r g , gdzie H - h to wysokoœæ s³upa powietrza wznosz¹cego siê nad

p

miejscem, w którym mierzymy cisnienie,

r gH

p( h)= r g H - r g h .

Ciœnienie zmniejsza³oby siê liniowo wraz

ze wzrostem wysokoœci h nad poziom

morza.

H

h

139

a Wdmuchiwany strumieñ powietrza wyp³ywaj¹c na boki przez w¹sk¹ szczelinê miêdzy tekturk¹ a bibu³k¹ osi¹ga tam du¿¹ szybkoœæ, a ma³e ciœnienie.

Ciœnienie atmosferyczne pod bibu³k¹ jest wiêksze od ciœnienia w szczelinie.

Dziêki tej ró¿nicy ciœnieñ bibu³ka jest przyciskana do tekturki.

b Wdmuchiwane powietrze uzyskuje przy zwê¿onym wylocie rurki du¿¹

szybkoœæ, a ma³e ciœnienie. W tym samym miejscu znajduje siê wylot pionowej rurki, której dolny koniec zanurzony jest w cieczy. Na dolnym koñcu rurki panuje wy¿sze ciœnienie ni¿ u jej wylotu. Ró¿nica ciœnieñ powoduje powstanie si³y, która wpycha ciecz do rurki. Ciecz wydostaj¹ca siê z rurki ulega rozpyle-niu przez strumieñ powietrza.

c Woda wp³ywaj¹c przez pionow¹ rurkê na jej zwê¿onym koñcu osi¹ga du¿¹

prêdkoœæ i ma³e ciœnienie. W zbiorniku z powietrzem ciœnienie jest wy¿sze.

Ró¿nica ciœnieñ powoduje dop³yw powietrza ze zbiornika do wylotu pionowej rurki i porywanie go przez strumieñ wody. Woda z powietrzem wyp³ywa z pompki.

Pompka przestanie wysysaæ powietrze, gdy ciœnienie w zbiorniku stanie siê równe ciœnieniu panuj¹cemu u wylotu pionowej rurki.

234

Rozwi¹zania

7

140

a Prawdziwe s¹ tylko zdania: A i D. Mówi¹c, ¿e ciœnienie hydrostatyczne za-le¿y od rodzaju cieczy mamy oczywiœcie na myœli jej gêstoœæ. Ciœnienie hydrostatyczne zale¿y tylko od tych wielkoœci, które wystêpuj¹ we wzorze: p = h r g .

b Zgodnie z odpowiedzi¹ na pytanie a ciœnienia hydrostatyczne we wszystkich flakonach s¹ jednakowe.

c Parcia na dno nie s¹ jednakowe we wszystkich flokonach. Wartoœæ si³y parcia obliczamy:

P = p S ,

P = h r g S .

Parcie na dno o wiêkszej powierzchni ma wiêksz¹ wartoœæ. Najwiêksz¹ wartoœæ ma parcie na dno we flakonie 6, a najmniejsz¹ w 3.

d Tylko we flakonie 5 parcie na dno jest równe ciê¿arowi wody, bo wartoœæ tego ciê¿aru mo¿emy obliczyæ nastêpuj¹co:

mg = V r g = hS r g , wiêc

mg = P .

141 W czêœci rury o kszta³cie litery U

zawsze pozostaje trochê wody, która w

obu ramionach ma ten sam poziom. Two-

rzy ona rodzaj korka. Jeœli do zlewozmy-

waka lejemy wodê, to jej poziom w U-rur-

ce siê podnosi i po przekroczeniu poziomu

zaznaczonego na rysunku przerywan¹ lini¹

woda wylewa siê do przewodu kanaliza-

cyjnego.

142 Ania powinna skorzystaæ z istniej¹cej sieci wodoci¹gowej. Najproœciej bêdzie, gdy do dowolnego kranu tej sieci do³¹czy bardzo d³ugi w¹¿. Drugi koniec wê¿a doprowadzi do miejsca, gdzie ma byæ fontanna i na³o¿y na ten koniec np.

doϾ szerokie sitko.

235

W wodzie, na wodzie i w powietrzu

(hydrostatyka, aerostatyka)

143

a Ciê¿ar walca Q = 0,4 N.

g³êbokoœæ zanurzenia walca h (m)

0,01

0,02

0,03

0,04

wskazania si³omierza (N)

0,35

0,30

0,25

0,20

wartoœæ si³y parcia cieczy (N)

0,05

0,10

0,15

0,20

ciœnienie s³upa cieczy (Pa)

100

200

300

400

b

p (Pa)

400

300

200

100

0,01

0,02

0,03

0,04

h (m)

c

p

400 Pa

p = h r × g ,

r =

,

r =

,

c

c

hg

c

m

0,04 m×10 s2

N s2

kg

r =1000

,

r =1000

.

c

m 2 × m 2

c

m 3

By³a to woda.

236

Rozwi¹zania

7

d W celu sprawdzenia, czy walec by³ pe³ny, czy pusty obliczam gêstoœæ walca: m

Q

r= =

,

V

g × V

0,4

N

×

0,4 105 kg

40000 kg

r=

,

6

=

3 =

×

10

× -

25 10

m

3

3

2 ×

25

m

25

m

m

s

kg

r=1600

.

m 3

Walec musia³ mieæ wewn¹trz pewien obszar pusty, bo gdyby by³ pe³ny, to gê-

stoœæ wynosi³aby oko³o 2700 kg m 3 .

144

a Fa³szywe jest tylko jedno zdanie (2), pozosta³e s¹ prawdziwe.

b Si³a wyporu zale¿y od objêtoœci cia³a zanurzonego, bo objêtoœæ cieczy wypartej jest równa objêtoœci cia³a, a ciecz o wiêkszej objêtoœci ma wiêkszy ciê-

¿ar. Zatem im wiêksza objêtoœæ cia³a, tym wiêksza si³a wyporu.

145

a Precyzyjniej mo¿na to sformu³owaæ tak: Po zanurzeniu bry³ki w cieczy si³omierz wskazuje si³ê, której wartoœæ jest o 0,2 N mniejsza ni¿ w powietrzu.

b To nie oznacza, ¿e ciê¿ar cia³a siê zmniejszy³. Ciê¿ar cia³a to si³a, jak¹ Zie-mia je przyci¹ga i nie zale¿y od tego, czy cia³o jest zanurzone w cieczy, czy nie. Si³omierz pokazuje mniej, bo ciecz wypiera cia³o do góry si³¹ o wartoœci 0,2 N.

r

c Si³a ciê¿aru bry³ki F

r 1

F 3

Si³a wyporu cieczy F

F

2

r

2

Si³a, któr¹ si³omierz dzia³a na bry³kê F .

3

(w naszym przyk³adzie:

F = 0,5 N, F = 0,2 N, F = 0,3 N ).

1

2

3

F 1

237

W wodzie, na wodzie i w powietrzu

(hydrostatyka, aerostatyka)

146

a Gdy cia³o p³ywa czêœciowo zanurzone, to si³a ciê¿aru cia³a jest równowa-

¿ona przez si³ê wyporu cieczy, dzia³aj¹cej na czêœæ zanurzon¹. Objêtoœæ wody wypartej równa siê objêtoœci zanurzonej czêœci ³ódki.

P

Q

Q = P ,

Q = V

× r × g ,

zan

w

Q

V

=

,

zan

r × g

w

1000 N

V

=

=0,1 m3.

zan

kg

m

1000

3 ×10

m

s2

b Dodatkowy ciê¿ar (mojego cia³a) musi zostaæ zrównowa¿ony przez dodat-kow¹ si³ê wyporu wody.

mg = V

D

× r g ,

zan

w

m

50 kg

D V =

=

=0,05 m3.

zan

r

kg

w

1000 m3

m

c P = Q + mg , P =1000 N+50 kg×10

.

2 = 1500 N

s³

s³

s

d Si³y wyporu, jakich dozna ³ódka w wodzie s³odkiej i s³onej bêd¹ takie same, bo w ka¿dym przypadku si³y te równowa¿¹ ciê¿ar ³ódki i ³adunku. Objêtoœci wypartych wód bêd¹ inne

kg

m

1500 N = V

1000

,

st¹d

V

=0,150 m3 ,

zan 1 ×

10

×

m 3

s2

zan 1

238

Rozwi¹zania

7

kg

m

1500 N = V

1080

,

st¹d

V

»0,139 m3.

zan 2 ×

10

×

m 3

s2

zan 2

Objêtoœæ wypartej wody w jeziorze wyniesie 0,15 m3, a w morzu oko³o 0,14 m3, tzn. w przybli¿eniu o 10 litrów mniej.

147

F - F

F

F

c

w =0 948

,

,

1- w = 0 948

,

,

st¹d

w =0 052

,

,

F

F

F

c

c

c

F

1

a

c =

=19 3, .

F

0 052

,

w

Ale

F = r

,

a

F = r × g V

× ,

Au × g

V

×

c

w

w

r

wiêc

Au =

3

3

=

×

=

r

19,3 ,

r

19,3 1g cm

19,3g cm .

Au

w

Gêstoœæ z³ota jest w³aœnie taka; wynika³oby st¹d, ¿e z³otnik by³ uczciwy.

239