При погружении батискафа «Триест» в Средиземном море его гондола опустилась на илистое дно. Почему батискаф с трудом, только после сброса всего балласта, смог оторваться от дна?
Если между телом и поверхностью нет жидкости или газа − нет и выталкивающей силы. Поэтому подводным лодкам нельзя ложиться на илистое дно − мощности их двигателей не хватит, чтобы преодолеть давление толщи воды сверху.
Батискаф, сбросив стальной балласт, уменьшил свой вес. Судно слегка приподнялось и вода проникла под него. На батискаф снизу начала действовать выталкивающая сила.
Для понимания задачи необходимо рассмотреть физические принципы, связанные с плаванием тел в жидкости и взаимодействием батискафа с дном. Основные понятия, которые нужно учитывать, включают силу Архимеда, силу тяжести, равновесие тел в жидкости, адгезию и вязкость.
Сила тяжести и масса батискафа.
Каждое тело, находящееся на Земле, испытывает силу тяжести $ F_{\text{тяж}} = mg $, где $ m $ — масса тела (в данном случае батискафа), а $ g $ — ускорение свободного падения. Эта сила направлена вниз, к центру Земли. Когда батискаф находится на дне, его вес создает давление на илистую поверхность.
Сила Архимеда.
При погружении в жидкость на тело действует выталкивающая сила $ F_{\text{арх}} = \rho_{\text{ж}} V_{\text{тела}} g $, где $ \rho_{\text{ж}} $ — плотность жидкости, $ V_{\text{тела}} $ — объем вытесняемой жидкости, а $ g $ — ускорение свободного падения. Эта выталкивающая сила направлена вверх и противодействует силе тяжести. Для того чтобы батискаф плавал или находился в равновесии в воде, сила тяжести должна быть уравновешена силой Архимеда.
Равновесие батискафа.
Когда батискаф погружается в воду, его вес уравновешивается силой Архимеда, если он имеет нейтральную плавучесть. Однако при достижении дна батискаф начинает взаимодействовать с поверхностью, что изменяет условия равновесия. Если батискаф оседает на ил, он может потерять способность легко подняться из−за дополнительных факторов.
Адгезия и сцепление с илом.
Илистое дно состоит из мелких частиц, которые могут прилипать к поверхности батискафа. Этот процесс называется адгезией. Частицы ила могут создавать дополнительное сопротивление, препятствуя подъему батискафа. Это связано с тем, что силы сцепления между батискафом и илом увеличивают сопротивление движению.
Вязкость и трение.
Ил на дне обладает определенной вязкостью — это свойство жидкости сопротивляться течению. Когда батискаф погружается в илистую массу, вязкость и сила трения между батискафом и илом увеличивают сопротивление движению. Эти силы действуют в направлении, противоположном движению батискафа вверх.
Балласт и его роль.
Балласт — это груз, который батискаф использует для регулирования своей плавучести. Сбрасывая балласт, батискаф уменьшает свою массу и, следовательно, силу тяжести $ F_{\text{тяж}} = mg $. Это увеличивает действие силы Архимеда, так как она остается постоянной, но сила тяжести становится меньше. Таким образом, батискаф может подняться вверх, преодолевая сопротивление илистого дна.
Соотношение сил в момент подъема.
Чтобы батискаф смог оторваться от дна, сила Архимеда должна превысить сумму силы тяжести батискафа и дополнительных сил сопротивления (адгезия и трение). Сброс балласта уменьшает силу тяжести и позволяет выталкивающей силе преодолеть силы сцепления с илом.
Итак, батискаф с трудом смог подняться с илистого дна, потому что для этого потребовалось преодолеть силу сцепления с поверхностью дна, а также сопротивление вязкости. Сбрасывание балласта уменьшило массу батискафа, увеличило его плавучесть за счет силы Архимеда и позволило ему оторваться от дна.
Пожауйста, оцените решение
