Текст объясняет физический принцип работы поплавкового клапана, применяемого в водонапорных башнях. Через простую модель — пластинка, перекрывающая отверстие, и поплавок, связанный с ней — автор показывает, что удержание воды зависит от равенства объёма вытесненной поплавком воды и объёма водяного столба, давящего на пластинку. Если подъёмная сила поплавка превышает давление столба, вода остаётся в сосуде; если нет — вытекает. В частном случае, когда отверстие равно площади дна, удержать воду невозможно: расчётный объём столба всегда больше фактического объёма жидкости, и поплавок не может компенсировать это давление. Материал демонстрирует, как инженерные устройства опираются на законы гидростатики.
Для решения многих технических задач нужно хорошо знать законы физики. Вот, например, поплавковый клапан в водонапорных башнях на железных дорогах. Работа поплавка клапана основана на следующей интересной задаче.
Пластинка, закрывающая снизу отверстие в дне сосуда, привязана к поплавку, плавающему на поверхности воды, налитой в сосуд. Требуется установить, выльется ли из сосуда вода?
 |
| Чертёж 1. |
Этот вопрос обычно вызывает самые противоположные предположения. Одни говорят, что вода, конечно, выльется: ведь нельзя же самому поднять себя за волосы. Другие утверждают обратное. На самом же деле в одних случаях вода выльется через отверстие в дне сосуда, а в других — не выльется.
Разберём, при каких условиях вода не выльется из сосуда.
На пластинку сверху давит столб воды, основанием которого является сама пластинка, а высотой — расстояние от пластинки до поверхности воды. (Собственным весом как пластинки, так и поплавка мы будем пренебрегать.) Это давление на пластинку должно уравновешиваться подъёмной силой поплавка. По закону Архимеда, на поплавок, погруженный в воду, действует со стороны воды сила, направленная вертикально вверх и равная весу вытесненной поплавком воды. Следовательно, чтобы уравновесить столб воды, давящий на пластинку, объем вытесненной поплавком воды должен быть равен объёму этого столба. Значит, если объем той часта поплавка, которая погружена в воду, больше объёма столба воды над пластинкой, то вода из сосуда не вытечет. В противном же случае она выльется.
Рассмотрим частный случай, когда отверстие в дне сосуда равно всей площади дна. Чтобы вода не вылилась из сосуда, как и раньше, объем столба над пластинкой должен быть меньше объёма воды, вытесненной поплавком.
 |
Чертёж 2. |
Возможно ли это? Во-первых, обратим внимание на то, что при наличии поплавка, как это ни странно, давление воды на пластинку будет больше веса воды. Объясняется это тем, что расчётный объем водяного столба, действующего на пластинку (то есть произведение основания пластинки на расстояние от пластинки до поверхности воды), больше фактического объёма воды в сосуде на величину вытесненного поплавком объёма воды. Поскольку невозможно добиться, чтобы объем воды, вытесняемой поплавком, всегда был равен расчётному объёму водяного столба над пластинкой (так как часть не может быть равна целому), то вода в данном случае всегда будет выливаться.
Г. ТРУШИН
Комментариев нет:
Отправить комментарий