К грузу массой 10т, лежащему на дне озера на глубине 100 м, привязан мягкий водонепроницаемый мешок (понтон), в который закачивают сверху воздух (рис. 46.2). Масса понтона 500 кг. Температура воды и воздуха 10 °С. Объёмом груза и оболочки понтона можно пренебречь. Какой объём воздуха надо взять при атмосферном давлении для закачки в понтон, чтобы он начал всплывать вместе с грузом?
от

1 Ответ

дано:  
- масса груза m_load = 10 т = 10000 кг  
- масса понтона m_ponton = 500 кг  
- глубина h = 100 м  
- давление в атмосфере P_atm = 101325 Па  
- плотность воды ρ_water ≈ 1000 кг/m3  

найти:  
объём воздуха V_air, необходимый для закачки в понтон, чтобы он начал всплывать вместе с грузом.

решение:  
1. Сначала найдем вес груза и понтона:  
F_weight = (m_load + m_ponton) * g,  
где g ≈ 9.81 м/с².

2. Подставим значения:  
F_weight = (10000 кг + 500 кг) * 9.81 м/с²  
= 10500 кг * 9.81 м/с²  
≈ 103.36 кН.

3. Теперь определим давление на глубине 100 м:  
P_depth = P_atm + ρ_water * g * h.  
Подставим значения:  
P_depth = 101325 Па + (1000 кг/m3 * 9.81 м/s² * 100 м)  
= 101325 Па + 981000 Па  
≈ 1082325 Па.

4. Теперь рассчитаем подъемную силу, которая должна равняться весу груза и понтона:  
F_buoyancy = V_water * ρ_water * g,  
где V_water — объём воды, вытесняемый пл flotation.

5. При всплывании F_buoyancy = F_weight, поэтому:  
V_water * 1000 кг/m3 * 9.81 м/s² = 103360 Н.  
Сокращаем g:  
V_water * 1000 = 103.36.  
Таким образом:  
V_water = 103.36 / 1000 ≈ 0.10336 m³.

6. Чтобы определить объём воздуха V_air, используем уравнение состояния идеального газа:  
P_air * V_air = n * R * T,  
где P_air = P_atm, R — универсальная газовая постоянная для воздуха (приблизительно 287 Дж/(кг·К)), T — температура в Кельвинах (10 °C = 283.15 K).

7. Объём V_air будет равен V_water, так как они должны быть равны для начала всплытия. Отсюда:  
P_atm * V_air = ρ_air * g * V_water.  
Подставляем известные значения:  
P_atm * V_air = 1000 * 9.81 * V_air.  
Сокращаем V_air:  
P_atm = 1000 * 9.81.  
Итак:  
V_air = V_water = 0.10336 m³.

ответ:  
Необходимо взять объём воздуха примерно 0.10336 м³ для закачки в понтон, чтобы он начал всплывать вместе с грузом.
от