Почему максимальная плотность воды при 4 градусах?

Это связано с уникальным строением молекулы воды: она полярна и может образовывать т.н. водородные связи с другими молекулами, при этом атом водорода одной молекулы оказывается связан с атомом кислорода другой молекулы. По этой причине в твердой фазе (лёд) каждая молекула воды образует связи с 4 соседями (2 по атомам водорода и 2 по атому кислорода), формируя структуру, похожую на тетраэдр. При плавлении льда с повышением температуры водородные связи ослабевают, межмолекулярные расстояния сокращаются - плотность воды увеличивается. Это с одной стороны. С другой - рост температуры означает более интенсивное колебательное движение молекул, что приводит к увеличению расстояния между ними, т.е. уменьшению плотности вещества. Вот эти два противоположных процесса и уравновешиваются при температуре около 4 градусов (на самом деле чуть меньше): в диапазоне от 0 до 4 преобладает первый процесс (рост плотности за счет разрыва водородных связей), от 4 градусов и выше - второй (падение плотности из-за усиления колебаний молекул).

Дано:

M₁ = 28·10⁻³ кг/моль - молярная масса азота

M₂ = 44·10⁻³ кг/моль - молярная масса углекислого газа

m - масса смеси

m₁ = 0,20·m -масса азота

m₂ = 0,80·m -масса углекислого газа

T = 450 K

p = 7·10⁵ Па

ρ смеси - ?

Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для смеси газов:

p·V=(m₁/M₁+m₂/M₂)·R·T

p·V=m·(0,20/M₁+0,80/M₂)·R·T

Разделим обе части уравнения на объем, и учтем, что плотность:

ρ = m /V

p=ρ·(0,20/M₁+0,80/M₂)·R·T

Отсюда плотность смеси:

ρ = p /((0,20/M₁+0,80/M₂)·R·T)

ρ = 7·10⁵ /((0,20/28·10⁻³+0,80/44·10⁻³ )·8,31·450)

ρ = 7,39 кг/м³

С ростом силы тяги растет и сила сопротивления движению.
Пока сила тяги больше силы сопротивления скорость нарастает, т. е. есть ускорение a = (Fтяги - Fсопр.) / m = ΔF / m, m - масса поезда.
Как только сила сопротивления сравняется с силой тяги, то ускорение станет равным нулю и скорость перестает нарастать.
Для дальнейшего нарастания скорости необходимо увеличивать мощность двигателя (P = F * v), что бесконечно делать невозможно для данного типа двигателя. Пример: замена поршневых двигателей в авиации на реактивные.