В деревянном кубике с длиной ребра a = 10 см осталась полость, которую потом полностью залили ртутью и герметично закрыли. Давление, которое стал оказывать кубик на горизонтальный пол стало равно 1500 Па. Чему равен обьём плотности? ответ выразите в см^3, округлив до целого числа. Ускорение свободного падения принять равным g = 10 Н/кг, плотность материала кубика 700 кг/м^3 плотность ртути 13600 кг/м^3

Объяснение:

Дано:

a = 10 см

p = 1 500 Па

ρ₁ = 0,7 г/см³

ρ₂ = 13,6 г/см³

V₂ - ?

1)

Находим объем кубика:

V = a³ = 1 000 см³

2)

Пусть:

V₁ - объем деревянной части кубика

V₂ - объем ртути

Получили первое уравнение:

V₁ + V₂ = V

V₁ + V₂ = 1000            (1)

3)

Давление:

p = F / S

Сила тяжести кубика со ртутью:

F = p·S, где

S = a² = 100 см²     или   S = 0,01 м²

Но:

F = m·g,

тогда

m·g = p·S

m = p·S / g = 1 500·0,01 / 10 = 1,5 кг    или m = 1 500 г

3)

Учтем, что

m₁ = ρ₁·V₁

m₂ = ρ₂·V₂

Получаем:

ρ₁·V₁ + ρ₂·V₂ = m

0,7·V₁ + 13,6·V₂ = 1500   (2)

Решаем совместно уравнения (1) и (2) получаем

0,7·(1000 - V₂)  + 13,6·V₂ = 1500

12,9·V₂ = 800

V₂ = 800 / 12,9 ≈ 62 см³

Сухое, когда взаимодействующие твердые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками — очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения - наличие значительной силы трения покоя. жидкостное, при взаимодействии тел, разделённых слоем жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость; смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения; граничное, когда в области контакта могут содержатся слои и участки различной природы (окисные пленки, жидкость и т. д. ) — наиболее распространенный случай при трении скольжения

Если резко ударить мотком по лежащей на полу доске – то она подскочит. Это произойдет потому, что молоток передаст доске импульс, с которым она частично упруго провзаимодействует с полом и отскочит. Примерно такие же события здесь будут происходить между клином и горизонтальной поверхностью. Клин либо отскочит, если он провзаимодействует с поверхностью упруго, либо он просто потеряет энергию вертикального импульса при неупругом взаимодействии с горизонтальной поверхностью. А поэтому было бы ошибкой учесть только горизонтальную скорость клина в энергетическом уравнении.

Ещё раз, как именно клин после удара будет взаимодействовать с горизонтальной поверхностью – мы не знаем (будет скакать или просто будет двигаться горизонтально), поскольку нам не заданы параметры взаимодействия клина и поверхности (абсолютно-упругое, абсолютно-неупругое и т.п.), но в любом случае, нам необходимо учесть часть кинетической энергии, которую будет нести вертикальный (!) импульс клина.

Что бы развеять сомнения, добавлю, что, поскольку мы считаем удар мгновенным, то в тот момент, когда шар УЖЕ оторвётся от верхней поверхности – нижняя поверхность клина ЕЩЁ «не будет» знать, что клин уже движется вниз, поскольку сигнал (в виде упругой волны) о верхнем взаимодействии ещё не дойдёт до дна.

Шар взаимодействует с клином точно поперёк их общей поверхности в момент контакта. А поверхность эта сориентирована к горизонту под углом 30°. Стало быть, сила, действующая на клин – будет придавать вертикальный импульс и скорость в √3 раза больший, чем горизонтальный импульс и скорость.

Обозначим горизонтальную скорость клина, как – u, тогда его вертикальная скорость √3u .

Будем считать, что скорость шара после отскока направлена вбок и ВВРЕХ. Именно из этих соображений далее будем записывать законы сохранения (если получится отрицательное значение скорости, то значит, она направлена – вниз). Обозначим горизонтальную составляющую конечной скорости шара, как vx, а вертикальную, как vy.

Из закона сохранения импульса по горизонтали ясно, что:

mvx = Mu ;

vx = [M/m] u ;

Из закона сохранения импульса по вертикальной оси найдём vy:

mV = M√3u – mvy ;

vy = √3[M/m]u – V ;

Из закона сохранения энергии найдём горизонтальную скорость клина:

mV² = mvx² + mvy² + Mu² + M (√3u)² ;

mV² = [M²/m] u² + m ( √3[M/m]u – V )² + 4Mu² ;

mV² = [M²/m]u² + 3[M²/m]u² – 2√3MuV + mV² + 4Mu² ;

0 = 4[M²/m]u² – 2√3MuV + 4Mu² ;

√3V = 2( [M/m] + 1 ) u ;

u = √3V/[2(1+M/m)] ;

Потеря энергии: Eпот = M (√3u)²/2 = 9MV²/[8(1+M/m)²] =
= 9m²V²/[8M(1+m/M)²] = mV²/2 * 9m/[4M(1+m/M)²] ;

Eпот = Eнач * 9m/[4M(1+m/M)²]
где Eнач – начальная кинетическая энергия.

При m << M    :   Eпот —> 0 ;     (проверка очевидного предельного перехода)

vx = [M/m] u = [M/m] √3V/[2( [M/m] + 1 )] ;

vx = √3V/[2(1+m/M)] ;

vy = √3[M/m]u – V = √3[M/m] √3V/[2( [M/m] + 1 )] – V =
= 3V/[2+2m/M] – V = [3V–2V–2Vm/M]/[2+2m/M] ;

vy = V[1–2m/M]/[2(1+m/M)] ;

Тангенс угла отскока:

tgφ = vy/vx = [1–2m/M]/√3 ;
в частности, при M = 2m  шарик отскочит горизонтально.

При m << M    :   tgφ —> 1/√3    ;    φ —> 30°
(проверка очевидного предельного перехода)

ОТВЕТ: u = √3V/[2(1+M/m)] .