Pytania
14.1 Płyny, gęstość i ciśnienie
Które z poniższych substancji są płynami w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym: powietrze, rtęć, woda, szkło?
Dlaczego gazy łatwiej sprężyć niż ciecze i ciała stałe?
Obrazek pokazuje szklankę zawierającą wodę z lodem wypełnioną po krawędź. Czy woda się wyleje, gdy lód się stopi? Uzasadnij swoją odpowiedź.
Dlaczego siła wywierana przez płyn statyczny jest zawsze prostopadła do powierzchni?
Wyobraź sobie, że w odległym miejscu w pobliżu bieguna północnego, kawałek lodu pływa po jeziorze. W pobliżu jeziora lodowiec o takiej samej objętości jak lód w jeziorze jest umieszczony na lądzie. Jeżeli globalne ocieplenie doprowadzi do stopienia obu kawałków lodu, a stopniały lód trafi do jeziora, który z kawałków sprawi, że poziom wody bardziej się podniesie? Odpowiedź uzasadnij.
W balecie, taniec en pointe (na czubkach palców) jest znacznie trudniejszy niż zwykły taniec czy chodzenie. Wyjaśnij, dlaczego tak jest, używając pojęcia ciśnienia.
Ciśnienie atmosferyczne wywiera dużą siłę (równą ciężarowi atmosfery powyżej twojego ciała – około 10 t) na górną część twojego ciała, podczas gdy leżysz na plaży i się opalasz. Dlaczego jesteśmy w stanie się podnieść?
Dlaczego spadek ciśnienia atmosferycznego z wysokością jest szybszy niż liniowy?
Ilustracja pokazuje, jak worki z piaskiem umieszczone dookoła przecieku na zewnątrz wałów przeciwpowodziowych są w stanie efektywnie zatrzymać wodę pod wałem. Wyjaśnij, w jaki sposób niewielka ilość wody wewnątrz kolumny z worków jest w stanie zrównoważyć ogromną ilość wody przed wałem.
Czy istnieje siła wypadkowa działająca na tamę pochodząca od ciśnienia atmosferycznego? Odpowiedź uzasadnij.
Czy ciśnienie atmosferyczne dodaje się do ciśnienia gazu w sztywnym pojemniku? A w balonie do zabawy? Ogólniej: kiedy ciśnienie atmosferyczne nie ma wpływu na całkowite ciśnienie płynu?
Można stłuc mocną butelkę wina uderzając w korek ręką i wbijając go do butelki, pod warunkiem, że korek styka się bezpośrednio z płynem wypełniającym butelkę – pomiędzy korkiem a płynem nie może być powietrza. Wyjaśnij, dlaczego butelka pęka tylko wtedy, gdy nie ma powietrza pomiędzy korkiem a płynem.
14.2 Pomiar ciśnienia
Wyjaśnij, dlaczego płyny sięgają tego samego poziomu w manometrze, jeżeli oba końce rurki są otwarte, nawet jeżeli ich średnice pozostają różne.
14.3 Prawo Pascala i układy hydrauliczne
Załóżmy, że w układzie hydraulicznym główny cylinder znajduje się wyżej niż cylinder, którym steruje. Wyjaśnij, w jaki sposób wpłynie to na siłę generowaną przez cylinder, który jest kontrolowany.
14.4 Prawo Archimedesa i siła wyporu
Aby wyciągnąć korek z pełnej wanny, musimy zadziałać siłą większą niż przy wyciąganiu go z pustej wanny. Czy ten przykład przeczy prawu Archimedesa? Odpowiedź uzasadnij.
Czy płyny działają siłą wyporu w nieważkości, np. na promie kosmicznym? Odpowiedź uzasadnij.
Szklane kulki wrzucone do częściowo wypełnionej wanny opadają na dno. Część ich ciężaru jest równoważona przez siłę wyporu, jednak siła wypadkowa na dno wanny zwiększa się dokładnie o wagę kulek. Wyjaśnij, dlaczego.
14.5 Dynamika płynów
Wiele ilustracji w tekście prezentuje linie prądu. Wyjaśnij, dlaczego prędkość płynu jest największa tam, gdzie linie prądu są najbliżej siebie. (Podpowiedź: Rozważ zależność między prędkością płynu a polem przekroju, przez który przepływa płyn.)
14.6 Równanie Bernoulliego
Można sprawić, że woda z węża ogrodowego wytryśnie na znacznie większą odległość, jeśli częściowo zakryjemy jego wylot kciukiem. Wyjaśnij, dlaczego tak jest.
W fontannach dekoracyjnych woda wytryskuje prawie pionowo, po czym strumień się poszerza ze wzrostem wysokości. Z drugiej strony, strumień wody wylatującej z kranu pionowo w dół się zwęża. Wyjaśnij, dlaczego tak się dzieje.
Przyjrzyj się ponownie Ilustracji 14.29. Odpowiedz na następujące pytania. Dlaczego ciśnienie jest mniejsze niż atmosferyczne? Dlaczego jest większe niż ?
Widoczna poniżej rurka ze zwężeniem, którego celem jest wywołanie porywania, nazywa się rurką Venturiego (ang. Venturi tube). Są one powszechnie stosowane w gaźnikach i aspiratorach. W jaki sposób urządzenie tego typu wywołuje porywanie?
Niektóre przewody kominowe mają kształt litery T, dzięki czemu górna, zakryta część pozwala wyciągać gazy nawet przy najlżejszym podmuchu wiatru. Wyjaśnij działanie takiej konstrukcji przy użyciu równania Bernoulliego dla przepływu poziomego.
Czy istnieje maksymalna wysokość, na którą urządzenia wykorzystujące porywanie mogą wynieść płyn? Odpowiedź uzasadnij.
Czy łatwiej jest wystartować samolotem z wiatrem, czy pod wiatr?
Zdarza się, że podczas cyklonów tropikalnych dachy wylatują w górę, a budynki eksplodują na zewnątrz po uderzeniu tornada. Użyj równania Bernoulliego dla przepływu poziomego do wyjaśnienia tych zjawisk.
Niebezpiecznie jest stać blisko torów, gdy przejeżdża po nich szybki pociąg. Wyjaśnij, dlaczego ciśnienie atmosferyczne będzie wpychało osobę stojącą przy torach w kierunku pociągu.
Ciśnienie wody wewnątrz dyszy węża może być mniejsze od atmosferycznego z powodu efektu Bernoulliego. Wziąwszy pod uwagę energię wody, wyjaśnij w jaki sposób woda może się wydostać z węża, pokonując ciśnienie atmosferyczne.
Dawid opuścił szybę w oknie swojego samochodu podczas jazdy autostradą. Plastikowa torebka leżąca na podłodze wyleciała wtedy przez okno. Wyjaśnij dlaczego.
Jakie trzy formy energii poruszającego się płynu są reprezentowane w równaniu Bernoulliego? (Zwróć uwagę, że te formy energii są zachowane, podczas gdy inne, takie jak energia cieplna i inne formy dyssypatywne, nie są obecne w tym równaniu.)
Stary, gumowy kalosz pokazany na poniższym rysunku ma dwie dziury. Do jakiej maksymalnej wysokości może wytrysnąć woda z dziury 1? Jak prędkość wody wytryskującej z dziury 2 różni się od prędkości wody z dziury 1? Wyjaśnij, rozważając energię.
14.7 Lepkość i turbulencje
Wyjaśnij, dlaczego lepkość w cieczy maleje z temperaturą. Innymi słowy, wyjaśnij w jaki sposób wzrost temperatury może zmniejszyć skutki siły spójności w płynie. Wyjaśnij również, dlaczego lepkość gazu zwiększa się wraz z temperaturą, czyli w jaki sposób wzrost temperatury wpływa na zwiększenie liczby zderzeń między atomami i cząsteczkami.
Kiedy wiosłujemy w górę rzeki, najkorzystniej jest tak sterować łódką czy kajakiem, aby płynąć możliwie najbliżej brzegu. Z kolei podczas spływu z prądem najkorzystniej jest być blisko środka rzeki. Wyjaśnij dlaczego.
Urządzenia hydrauliczne w mieszkaniach zwykle zawierają wypełnione wodą rury w pobliżu kranów (patrz: rysunek poniżej). Wyjaśnij, do czego są one potrzebne i jak działają.
Ultrasonografia dopplerowska może być używana do pomiaru prędkości krwi w ciele. Jeżeli w tętnicy znajduje się częściowe zwężenie, to gdzie należy oczekiwać największej prędkości krwi: w miejscu zwężenia czy za nim? Jakie są powody większego oporu w miejscu zwężenia?
Odpływy zlewów często mają zamontowane części, takie jak zaprezentowane na rysunku poniżej, w celu zwiększenia szybkości przepływu wody. Jak one działają?