Почему пустой бумажный мешок, надутый воздухом, с треском разрывается, если ударить его об руку или обо что−то твёрдое?

Чтобы понять, почему пустой бумажный мешок, наполненный воздухом, разрывается с треском при ударе, необходимо рассмотреть физические явления, связанные с давлением, звуком и свойствами материалов.

1. Давление воздуха внутри мешка:
Когда бумажный мешок надувают, внутрь него попадает воздух, который создает давление на стенки мешка. Воздух внутри мешка стремится занять как можно больший объем, а стенки мешка ограничивают его расширение. Таким образом, в мешке устанавливается давление, которое остается сравнительно небольшим, пока внешние условия не изменяются.

2. Быстрое сжатие воздуха при ударе:
Если ударить мешок об твердую поверхность, происходит резкое изменение объема мешка. Во время удара мешок на мгновение сжимается, и объем воздуха внутри него уменьшается. Согласно закону Бойля−Мариотта (для идеального газа), если объем уменьшается, а количество газа остается прежним, давление газа возрастает. При ударе давление воздуха в мешке резко возрастает за очень короткий промежуток времени.

3. Прочностные свойства материала:
Бумага, из которой сделан мешок, обладает ограниченной прочностью. Она может выдерживать определенное давление, но когда давление воздуха внутри мешка резко возрастает, оно превышает предел прочности материала мешка. В результате мешок разрывается. Точка разрыва обычно возникает там, где бумага наиболее тонкая или уже была повреждена.

4. Звук при разрыве мешка:
Треск, который слышен при разрыве мешка, связан с процессом высвобождения воздуха и деформацией бумаги. Когда мешок разрывается, воздух внутри него быстро выходит через образовавшуюся дыру. Это движение воздуха создает звуковую волну, которая распространяется в окружающей среде, и мы слышим громкий треск. Звук дополнительно усиливается из−за резонанса, возникающего в самом мешке в момент разрыва.

5. Ударная волна:
При резком высвобождении воздуха образуется ударная волна, которая также вносит вклад в громкий звук. Ударная волна — это резкое изменение давления в окружающем воздухе, которое распространяется с высокой скоростью.

6. Влияние внешнего объекта:
Когда мешок ударяют о руку или твердую поверхность, сила удара передается на мешок и его содержимое. Твердое препятствие (например, стол, стена или даже рука) не позволяет мешку продолжить движение, что вызывает его резкое сжатие и, как следствие, увеличение давления воздуха внутри.

Вывод:
Разрыв мешка является результатом взаимодействия между давлением воздуха, ограниченной прочностью материала мешка и внешним воздействием. Быстрое изменение давления при ударе приводит к превышению прочностного предела мешка, а высвобождение воздуха вызывает громкий треск.