За счёт чего совершается работа по выталкиванию пробки в случаях, изображённых на рисунке 97? Проведите опыты и объясните их.


рис. 97

Для ответа на вопрос о механизме, который приводит к выталкиванию пробки, необходимо рассмотреть физические процессы, происходящие в каждом из случаев, изображённых на рисунке. Основные аспекты, которые следует учитывать, связаны с понятиями давления, температуры, и взаимодействия газов.

1. Рассмотрение случая на рисунке (а): В данном эксперименте пробка выталкивается из пробирки в результате изменения давления внутри неё. Этот процесс можно объяснить следующим образом:

• Газообразование: В нижней части пробирки находится жидкость, которая при нагревании начинает испаряться или вступать в химическую реакцию, выделяя газ. При нагревании жидкости молекулы получают дополнительную кинетическую энергию, что приводит к увеличению скорости их движения. Это способствует переходу молекул из жидкого состояния в газообразное.

• Повышение давления: Образующийся газ заполняет ограниченный объём пробирки. В закрытом пространстве увеличение количества газа ведёт к повышению давления, согласно закону Бойля−Мариотта ($P_1V_1 = P_2V_2$) и уравнению состояния идеального газа ($PV = nRT$), где $P$ — давление, $V$ — объём, $n$ — количество молекул, $R$ — универсальная газовая постоянная, $T$ — температура.

• Сила, действующая на пробку: Давление газа внутри пробирки превышает атмосферное давление, действующее с внешней стороны пробки. Возникающая разность давлений создаёт силу, которая выталкивает пробку наружу.

1. Рассмотрение случая на рисунке (б): Здесь использована другая физическая закономерность, связанная с изменением давления воздуха. Для понимания, как происходит выталкивание пробки, необходимо учесть следующие аспекты:

• Движение воздуха: Поток воздуха создаётся при помощи механического устройства (например, насоса или компрессора), который направляет струю воздуха в пробирку. Согласно принципу Бернулли, в движущемся потоке жидкости или газа давление уменьшается, если скорость потока увеличивается.

• Разность давлений: Возникает ситуация, когда давление внутри пробирки становится меньше атмосферного давления, окружающего её. За счёт этого внешнее атмосферное давление начинает действовать на пробку, выталкивая её из пробирки.

• Динамическая реакция: В зависимости от силы и скорости направленного потока воздуха изменяется интенсивность выталкивания пробки.

В обоих случаях выталкивание происходит под действием разности давлений, однако источники этой разности различны. В случае (а) давление внутри пробирки увеличивается вследствие газообразования, вызванного нагревом жидкости. В случае (б) давление внутри пробирки уменьшается из−за снижения давления в движущемся потоке воздуха.

Заключение:
Для того чтобы объяснить выталкивание пробки в данных экспериментах, необходимо учитывать механизмы изменения давления: нагревание жидкости приводит к образованию газа и повышению давления, а поток воздуха вызывает уменьшение давления. В обоих случаях работа совершается за счёт действия силы, возникающей из−за разности давлений.