Test: Mechanika płynów – poziom trudny

Testy z fizyki
Brak komentarzy
0%

Drewniany klocek o gęstości 0,7 g/cm3 pływa częściowo zanurzony w wodzie o gęstości 1000 kg/m3. Jeżeli masa klocka wynosi 0,15 kg, to siła zewnętrzna potrzebna do całkowitego zanurzenia klocka jest równa (g  = 10 m/s2):

Dobrze! Źle!

Pod wpływem zewnętrznej siły przyłożonej do klocka, klocek ulega całkowitemu zanurzeniu. Oznacza to, że:

$$F + F_g = F_{wyp}$$

gdzie F  - siła zewnętrzna, Fg  - siła ciężkości, Fwyp  - siła wyporu.

Po wstawieniu w miejsce Fg  wyrażenia  $m_k \hspace{.05cm} g$   oraz  $F_{wyp} = \rho_w \hspace{.05cm} g \hspace{.05cm} \frac{m_k}{\rho_k}$  oraz po przekształceniu powyższego wzoru względem F , dostaniemy:

$$F = F_{wyp} \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} F_g = \rho_w \hspace{.05cm} g \hspace{.05cm} \frac{m_k}{\rho_k} \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} m_k \hspace{.05cm} g = g \left[ \rho_w \cdot \left( \dfrac{m_k}{\rho_k} \right) \hspace{.05cm} - \hspace{.05cm} m_k \right]$$

gdzie mk  i ρk  to odpowiednio masa i gęstość klocka, ρw  - gęstość wody.

W szklance w kształcie walca, której pole podstawy wynosi 10 π dm2 znajduje się woda. Do szklanki wrzucono kulkę ołowianą o promieniu 5 cm, która całkowicie zanurzyła się w wodzie. Ciśnienie hydrostatyczne wywierane przez wodę na dno naczynia wzrosło po wrzuceniu kulki o (g = 10 m/s2):

Dobrze! Źle!

Korzystamy ze wzoru na ciśnienie hydrostatyczne. Przed wrzuceniem kulki do szklanki ciśnienie hydrostatyczne p0 wynosiło:

$$p_0 = \rho_w \hspace{.05cm} g \hspace{.05cm} h$$

Wysokość słupa wody nie jest znana, jednak korzystając ze wzoru na objętość walca możemy ją wyrazić jako:

$$h = \dfrac{V_w}{S}$$

gdzie Vw  to objętość wody, S  - pole podstawy szklanki.

Po wrzuceniu kulki poziom wody nieznacznie się zwiększył, zatem ciśnienie hydrostatyczne po wrzuceniu kulki wynosi teraz:

$$p_1 = \rho_w \hspace{.05cm} g \cdot \left( \dfrac{V_w + V_k}{S} \right)$$

gdzie Vk  to objętość kulki równa  $V_k = \frac{4}{3} \hspace{.05cm} \pi \hspace{.05cm} r^3$.

Znając obydwa ciśnienia możemy obliczyć ich różnicę:

$$\Delta \hspace{.03cm} p = p_1 \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} p_0 = \rho_w \hspace{.05cm} g \cdot \left( \dfrac{V_w + V_k}{S} \right) \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} \frac{\rho_w \hspace{.05cm} g \hspace{.05cm} V_w}{S} = \dfrac{\rho_w \hspace{.05cm} g \hspace{.05cm} V_k}{S}$$

Do jakiej wysokości h należy nalać jednorodną ciecz do naczynia w kształcie walca, aby siła parcia cieczy na ścianę boczną tego naczynia była równa sile parcia cieczy na dno tego naczynia?

Dobrze! Źle!

Pole powierzchni podstawy walca wynosi  $S = \pi \hspace{.05cm} r^2$.  Pole powierzchni ściany bocznej dostaniemy dzieląc walec na dwie równe części. Rozwijając następnie tą część walca na płaszczyźnie dostaniemy prostokąt o bokach h  i π r  (połowa obwodu koła). Podstawiając następnie obydwa pola powierzchni do wzoru na siłę parcia (F  = p S ) dostaniemy szukaną wysokość wody w walcu.

Drewniana kulka o masie 20 g przymocowana jest sznurkiem do dna zbiornika wypełnionego wodą o gęstości 1000 kg/m3. Jeżeli objętość kulki wynosi 40 cm3, to siła naprężenia sznurka jest równa (g  = 10 m/s2):

kulka przymocowana sznurkiem do dna zbiornika - rysunek schematyczny - test mechanika płynów - poziom trudny
Dobrze! Źle!

Aby obliczyć siłę naprężenia sznurka należy skorzystać z drugiej zasady dynamiki Newtona. Kulka znajduje się w spoczynku, zatem:

$$F_n + F_g = F_{wyp}$$

gdzie Fn  - siła naprężenia sznurka, Fg  - siła ciężkości działająca na kulkę, Fwyp  - siła wyporu działająca na kulkę.

Po podstawieniu w miejsce Fg  wyrażenia  $m_k \hspace{.05cm} g$  oraz  $F_{wyp} = \rho_w \hspace{.05cm} V_k \hspace{.05cm} g$,  dostaniemy:

$$F_n = F_{wyp} \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} F_g = \rho_w \hspace{.05cm} V_k \hspace{.05cm} g \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} m_k \hspace{.05cm} g = g \left( \rho_w \hspace{.05cm} V_k \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} m_k \right)$$

gdzie ρw  - gęstość wody, Vk  - objętość kulki, mk  - masa kulki.

W pewnym naczyniu znajdują się dwie ciecze o gęstościach ρ1 i ρ2, przy czym ρ1 > ρ2. Zależność ciśnienia hydrostatycznego p  od głębokości h  prawidłowo przedstawia wykres:

zależność ciśnienia hydrostatycznego od głębokości wykres 3 - test mechanika płynów - poziom trudny
zależność ciśnienia hydrostatycznego od głębokości wykres 1 - test mechanika płynów - poziom trudny
zależność ciśnienia hydrostatycznego od głębokości wykres 2 - test mechanika płynów - poziom trudny
zależność ciśnienia hydrostatycznego od głębokości wykres 4 - test mechanika płynów - poziom trudny
Dobrze! Źle!

Dwa sześcienne klocki wykonane z dwóch różnych metali: pierwszy - z ołowiu o gęstości 11300 kg/m3, drugi - z niklu o gęstości 8725 kg/m3 zanurzono w wodzie o gęstości 1000 kg/m3. Pomiary ciężaru każdego z klocków wykonane w wodzie wykazały, że ciężar obydwu klocków jest jednakowy. Oznacza to, że stosunek objętości pierwszego klocka do objętości klocka drugiego wynosi:

Dobrze! Źle!

Ciężar klocków zmierzony w wodzie to ich ciężar pozorny. Wiemy, że ciężar pozorny obydwu klocków jest jednakowy, zatem korzystając z definicji ciężaru pozornego, dostaniemy:

$$Q_1 \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} F_{wyp1} = Q_2 \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} F_{wyp2}$$

gdzie Q1  i Q2  to ciężar odpowiednio pierwszego oraz drugiego klocka, Fwyp1  i Fwyp2  - siła wyporu działająca odpowiednio na pierwszy oraz drugi klocek.

Po wstawieniu w miejsce ciężaru i siły wyporu odpowiednich wyrażeń i po przekształceniu otrzymanego równania względem objętości obydwu klocków, dostaniemy ogólny wzór pozwalający obliczyć stosunek tych dwóch objętości:

$$\frac{V_1}{V_2} = \frac{\rho_2 \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} \rho_w}{\rho_1 \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} \rho_w}$$

Ile wynosi objętość ciała, które w wodzie waży o 2 N mniej niż w powietrzu? Gęstość wody wynosi 1000 kg/m3, gęstość powietrza - 1,2 kg/m3.

Dobrze! Źle!

Korzystamy z definicji ciężaru pozornego. Zapisujemy odpowiednie równanie dla przypadku, w którym ciało znajduje się w wodzie oraz dla przypadku, w którym ciało znajduje się w powietrzu. Z warunków zawartych w treści zadania, mamy:

$$Q_{poz,p} = Q_{poz,w} + 2 \hspace{.05cm} \textrm{N}$$

gdzie Qpoz,p  to ciężar pozorny ciała w powietrzu, Qpoz,w  - ciężar pozorny ciała w wodzie.

Po podstawieniu w miejsce ciężarów pozornych odpowiednich wyrażeń dostaniemy objętość ciała równą:

$$V = \frac{2}{\rho_w \hspace{.05cm} g \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} \rho_p \hspace{.05cm} g}$$

gdzie ρw  - gęstość wody, ρp  - ciężar powietrza.

Na głębokości h  = 2 m poniżej poziomu wody o gęstości 1000 kg/m3 znajduje się drewniana kulka o gęstości 800 kg/m3. Jeżeli kulkę tą swobodnie puścimy, wysokość na jaką wyskoczy ponad poziom wody wyniesie:

Dobrze! Źle!

Aby obliczyć wysokość na jaką z wody wyskoczy kulka należy skorzystać z drugiej zasady dynamiki Newtona oraz ze wzorów na prędkość i drogę w ruchu jednostajnie przyspieszonym. Na początku należy obliczyć prędkość kulki w momencie dotarcia do powierzchni wody. Prędkość ta będzie jednocześnie prędkością końcową po przebyciu drogi w wodzie oraz prędkością początkową "nowego" ruchu - od powierzchni wody do wysokości wzniesienia się nad powierzchnię wody. Po zapisaniu i przekształceniu wzorów na prędkość oraz drogę w ruchu jednostajnie przyspieszonym dostaniemy szukaną wysokość równą:

$$s = h \cdot \left( \frac{\rho_w}{\rho_d} \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} 1 \right)$$

Dwa identyczne naczynia wypełniono wodą o gęstości ρ, do tej samej wysokości równej h. Następnie naczynia te umieszczono w dwóch windach. Pierwsza z nich porusza się do góry z przyspieszeniem a  = 2/3 g, druga z nich - w dół z przyspieszeniem a  = 1/3 g. Jeżeli pole przekroju każdego z naczyń wynosi S, to różnica ciśnień wywieranych na dno naczynia znajdującego się w pierwszej oraz w drugiej windzie wynosi:

Dobrze! Źle!

Ciśnienie hydrostatyczne równa się iloczynowi gęstości płynu ρ, wysokości słupa płynu h  oraz przyspieszenia grawitacyjnego g. Wiemy, że poziom wody w obydwu naczyniach jest jednakowy. Wiemy także, że naczynia te znajdują się w dwóch różnych windach poruszających się w przeciwnych kierunkach z różnym przyspieszeniem.

W pierwszym przypadku, winda porusza się w górę z przyspieszeniem a  = 2/3 g, zatem całkowite przyspieszenie, z jakim porusza się winda (a więc również i naczynie) wynosi g  + 2/3 g  (aby otrzymać tą wartość należy skorzystać z drugiej zasady dynamiki Newtona).

W drugim przypadku winda porusza się w dół z przyspieszeniem a  = 1/3 g, zatem w tym przypadku całkowite przyspieszenie układu wynosi g  - 1/3 g. Po podstawieniu tych przyspieszeń do wzoru na ciśnienie hydrostatyczne i następnie obliczeniu różnicy tych ciśnień otrzymamy wynik: ρ g h.

Dwa drewniane, sześcienne klocki pływają zanurzone do połowy w pewnej cieczy. Bok małego klocka wynosi a, dużego - 4 a. Działając siłą na górne ściany klocków, spowodowano ich całkowite zanurzenie. Zanurzenie większego klocka wymagało wykonania pracy

dwa drewniane klocki zanurzone do połowy w naczyniu - rysunek schematyczny - test mechanika płynów - poziom trudny
Dobrze! Źle!

Aby obliczyć pracę potrzebną do zanurzenia małego oraz dużego klocka musimy znać wartość siły, jaka musi działać na powierzchnię górnej ściany klocka oraz odległość o jaką musi przemieścić się klocek, aby uległ całkowitemu zanurzeniu w cieczy. Wiemy, że obydwa klocki zanurzone są do połowy, zatem przemieszczenie mniejszego klocka wynosi 1/2 a, a większego 2 a. Aby obliczyć wartość siły jaką musimy przyłożyć do klocka, aby spowodować jego zanurzenie należy skorzystać z drugiej zasady dynamiki Newtona. Po zapisaniu odpowiednich równań powinniśmy dostać:

$$F_1 = a^3 \hspace{.05cm} g \left( \rho_w \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} \rho_k \right)$$

oraz:

$$F_2 = 64 \hspace{.05cm} a^3 \hspace{.05cm} g \left( \rho_w \hspace{.1cm} - \hspace{.05cm} \rho_k \right)$$

Po podstawieniu siły i przemieszczenia do wzoru na pracę oraz po wykonaniu obliczeń otrzymamy szukaną wartość stosunku pracy równą 256.

Gratuluję ukończenia testu!

Dobrze! Źle!

Ilość pytań: 10
Twoja ocena: Niedostateczny
Ilość pytań: 10
Twoja ocena: Dopuszczający
Ilość pytań: 10
Twoja ocena: Dostateczny
Ilość pytań: 10
Twoja ocena: Dobry
Ilość pytań: 10
Twoja ocena: Bardzo dobry
Ilość pytań: 10
Twoja ocena: Celujący

Dodaj komentarz