Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 4745
2017-11-06 
Вагон поезда равномерно движется по горизонтальному пути. Окна и двери вагона плотно закрыты. Внутри вагона производится эксперимент с круглым воздушным шариком, наполненным водородом. Прямым измерением установлено, что скорость подъема шара при данном объеме и весе оболочки равна 10 см/с. После эксперимента шар висит под потолком вагона. В этот момент поезд начинает торможение с постоянным ускорением $a = - 9,8 м/с^{2}$. Как будет двигаться шар во время торможения? Трением о стенки пренебречь.
Решение:
На первый взгляд в соответствии с житейским опытом кажется, что шар вместе с другими телами — книгой, лежащей на столе, устремится вперед по ходу движения, как это иногда происходит и с нами, если автобус или вагон, в котором мы едем, резко тормозит.
Однако это ошибка, потому что наш житейский опыт в данном случае касается поведения тел тяжелее воздуха, для которых влияние Архимедовой силы выталкивания со стороны окружающего воздуха ничтожно.
Для воздушного шара все наоборот. Его собственная масса и вес так малы, что Архимедова сила становится главной.
Архимедова сила появляется всегда, когда в результате действия силы тяжести, или силы инерции, или каких либо других сил в окружающей жидкой или газовой среде равновесное статическое давление неодинаково в различных местах. Под действием силы тяжести верхние слои воздуха давят на нижние, поэтому с увеличением высоты давление равномерно уменьшается. Сумма всех сил давления воздуха на нижнюю часть шара больше, чем давление на верхнюю часть. Эта разница превышает вес тела, и шар всплывает вверх. Гениальный Архимед догадался,что вычислить эту силу очень просто. Она равна сумме тех сил, которые действовали бы на среду, если бы она заполняла объём тела. В случае силы тяжести это вес среды, заключенный в объеме тела.
Но роль силы тяжести могут сыграть и другие силы, например, сила инерции. Если наша система координат связана с вагоном, который движется с ускорением (замедлением), появляется сила инерции, действующая на любое тело, обладающее массой, в том числе и на воздух, заключенный внутри вагона. В нашем случае давление воздуха в передней части вагона будет больше, чем в задней по причине инертности массы воздуха.
Поскольку замедление при торможении в точности равно по величине ускорению силы тяжести, вдоль вагона возникнет точно такое же изменение сил давления, какое возникает по высоте под действием сил тяжести.
Это значит, что возникнет сила Архимеда, направленная назад против направления движения. И под действием этой силы шар поплывет назад (относительно вагона) с той же скоростью, с какой он всплывал вверх в равномерно движущемся вагоне.
Вагон поезда равномерно движется по горизонтальному пути. Окна и двери вагона плотно закрыты. Внутри вагона производится эксперимент с круглым воздушным шариком, наполненным водородом. Прямым измерением установлено, что скорость подъема шара при данном объеме и весе оболочки равна 10 см/с. После эксперимента шар висит под потолком вагона. В этот момент поезд начинает торможение с постоянным ускорением $a = - 9,8 м/с^{2}$. Как будет двигаться шар во время торможения? Трением о стенки пренебречь.
Решение:
На первый взгляд в соответствии с житейским опытом кажется, что шар вместе с другими телами — книгой, лежащей на столе, устремится вперед по ходу движения, как это иногда происходит и с нами, если автобус или вагон, в котором мы едем, резко тормозит.
Однако это ошибка, потому что наш житейский опыт в данном случае касается поведения тел тяжелее воздуха, для которых влияние Архимедовой силы выталкивания со стороны окружающего воздуха ничтожно.
Для воздушного шара все наоборот. Его собственная масса и вес так малы, что Архимедова сила становится главной.
Архимедова сила появляется всегда, когда в результате действия силы тяжести, или силы инерции, или каких либо других сил в окружающей жидкой или газовой среде равновесное статическое давление неодинаково в различных местах. Под действием силы тяжести верхние слои воздуха давят на нижние, поэтому с увеличением высоты давление равномерно уменьшается. Сумма всех сил давления воздуха на нижнюю часть шара больше, чем давление на верхнюю часть. Эта разница превышает вес тела, и шар всплывает вверх. Гениальный Архимед догадался,что вычислить эту силу очень просто. Она равна сумме тех сил, которые действовали бы на среду, если бы она заполняла объём тела. В случае силы тяжести это вес среды, заключенный в объеме тела.
Но роль силы тяжести могут сыграть и другие силы, например, сила инерции. Если наша система координат связана с вагоном, который движется с ускорением (замедлением), появляется сила инерции, действующая на любое тело, обладающее массой, в том числе и на воздух, заключенный внутри вагона. В нашем случае давление воздуха в передней части вагона будет больше, чем в задней по причине инертности массы воздуха.
Поскольку замедление при торможении в точности равно по величине ускорению силы тяжести, вдоль вагона возникнет точно такое же изменение сил давления, какое возникает по высоте под действием сил тяжести.
Это значит, что возникнет сила Архимеда, направленная назад против направления движения. И под действием этой силы шар поплывет назад (относительно вагона) с той же скоростью, с какой он всплывал вверх в равномерно движущемся вагоне.
