Мордехай Тульчинский - Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

При замене трубки гибким шлангом все рассуждения останутся в силе, поскольку значение имеет лишь разница давлений. Высота, на которую поднимается жидкость в левом колене, не должна быть больше той высоты, при которой давление столба жидкости приближается к атмосферному: сифон просто перестанет работать. Для ситуации с бензобаком это условие трудно не выполнить.

81. Автомобиль в высокогорье

Поскольку в обоих случаях речь идет о разгоне по горизонтали, то физические ситуации различаются только высотой над уровнем моря. Сила тяжести от такой разницы высот изменяется незначительно, а вот атмосферное давление и содержание кислорода в воздухе различаются довольно существенно. Но кислород нужен двигателю: ведь двигатель получает энергию, сжигая бензин. Когда кислорода не хватает, двигатель начинает «задыхаться» – и его мощность падает, а вместе с ней ухудшается и динамика разгона.

Современные двигатели внутреннего сгорания – очень сложные и «умные» устройства, и они до определенной степени способны справляться с низким давлением и нехваткой кислорода, однако помнить о такой возможной проблеме водителю стоит.

Пониженное атмосферное давление создает и другие сложности: например, становится избыточным давление в шинах (увеличивается разница между ним и атмосферным давлением) и снижается температура, при которой закипает охлаждающая жидкость. В общем, поездка в горы – приключение для опытных водителей.

82. Белеет парус одинокий

Мы привыкли считать поверхность жидкости плоской. Однако в этом случае парусник мы видели бы целиком на любом расстоянии, на котором вообще могли бы его разглядеть. То, что он постепенно скрывается из глаз так, как будто вода загораживает его нижнюю часть все сильнее и сильнее, означает, что поверхность океана не плоская, а изогнутая (рис. 74).

Рис. 74

Это происходит потому, что поверхность воды перпендикулярна направлению силы тяжести, а направление силы тяжести меняется от точки к точке из-за шарообразности Земли. Тем самым поверхность океана повторяет шарообразную форму Земли. Вдумчивый наблюдатель мог бы догадаться, что Земля по крайней мере не плоская.

83. Вода помогает строителям

Этот инструмент называется гидроуровнем . Расширения на концах трубки представляют собой сообщающиеся сосуды, соединенные трубкой. Уровень воды в сообщающихся сосудах одинаков, то есть находится на одной горизонтали относительно земной поверхности. Это позволяет проверять горизонтальность строительных конструкций или делать отметки на одной высоте, причем на большом расстоянии (когда не помогает обычный строительный уровень) и даже за углом (когда не помогает лазерный уровень).

84. Секреты унитаза

Изгиб в нижней части представляет собой по сути дела пару сообщающихся сосудов. Когда в один из них потоком поступает вода, слитая из бачка, уровень воды в этом сосуде повышается – а следом повышается уровень воды и во втором, в результате вода начинает сливаться в канализационную трубу. Поток воды проносит все, что нужно смыть, через изгиб. Когда поток иссякает, в сообщающихся сосудах остается вода, которая образует водяную пробку – перекрывает доступ воздуха из канализации в помещение. Аналогичный изгиб трубы – сифон – вы можете обнаружить и под сливным отверстием раковины. Без сифона на кухне и в ванной было бы трудно находиться из-за дурного запаха.

85. Обманчивая вода

На первый взгляд кажется, что ответ положителен. Но если сосуд с водой ускоряется, уровень воды в нем установится под углом к горизонту. Дело в том, что в ускоряющейся системе отсчета силы инерции ведут себя очень похоже на гравитацию (мы подробнее поговорим об этом в задаче 104), и получается, что к настоящему отвесному гравитационному притяжению Земли добавляется «искусственное притяжение», созданное силами инерции и направленное горизонтально. Уровень воды установится перпендикулярно к «суммарной гравитации», которая направлена не отвесно вниз, а под углом.

Еще более простой пример дает текущая река. Течение реки создается именно перепадом высот. Если бы уровень воды был везде одинаковым, течения просто не было бы. Это означает, что уровень воды в реке слегка, незаметно для глаз, наклонен от истока к устью.

86. По следам Архимеда

Архимед понимал, что если ювелир заменил часть золота другим металлом, то плотность материалы короны будет отличаться от плотности золота. Чтобы узнать плотность, вроде бы достаточно знать массу и объем. Определить массу легко, но вот вычислить объем короны из-за ее сложной формы нереально. Легенда гласит, что Архимед в задумчивости отправился в термы (греческая баня) и там, погрузившись в воду, заметил, что часть воды выплеснулась, вытесненная его телом, – и тут его осенило. С криком «Эврика!» («Нашел!») он помчался по улицам, даже не потрудившись одеться.

Кажется, вот оно – решение: надо измерить, на сколько поднимается уровень воды в сосуде, куда погружена корона, и эта добавка позволит рассчитать объем самой короны. Однако если вы примете разумные допущения о весе короны и размерах сосуда, в которую ее нужно погрузить, то увидите, что разница в уровне воды будет измеряться миллиметрами (выполните эти оценочные расчеты!). Доступной Архимеду точности измерений не хватило бы для того, чтобы таким методом обнаружить разницу в плотности между золотом и сплавом золота с более дешевым металлом. К тому же эту легенду рассказывают как историю открытия закона Архимеда, а выталкивающая сила у нас пока так и не появилась.

Открытие Архимеда состояло не в том простом наблюдении, что погруженное в воду тело вытесняет объем воды, равный объему самого тела. Архимед заметил, что вес погруженного в воду тела уменьшается, и сумел понять, что разница в весе равна весу вытесненной воды (это, по сути дела, и есть закон Архимеда). Если корона сделана не из чистого золота, ее объем будет не таким, как объем чисто золотой короны при той же массе, следовательно, ее вес в воде изменится иначе , чем вес золотой короны.

Изящный способ выявить эту разницу вам подскажет задача 99.

87. Сюрпризы выталкивающей силы

Деревянный брусок плавает и в воде, и в ртути (погружаясь на различную глубину из-за того, что плотности этих жидкостей различны). Плавание означает равновесие, то есть выталкивающая сила уравновешивает силу тяжести. Поскольку сила тяжести в обоих случаях одна и та же, одинаковой будет и выталкивающая сила.