Гидроудар
6/10В начале февраля в НИУ «МЭИ» проходила инженерная конференция школьников «Потенциал». В секции «Экспериментальные методы исследования физических явлений» первое место заняла работа, посвящённая гидроудару. Это опасное явление возникает, например, при резкой остановке водяного потока в трубе. Повышение давления жидкости может привести к разрушению трубы. Предположим, что небольшой камешек случайно оказался в трубе и неожиданно застрял в ней, полностью перекрыв течение воды. При какой наибольшей скорости водяного потока труба, рассчитанная на максимальное давление \(p_{\max} = 25\) атмосфер, может выдержать гидроудар? Плотность воды \(\rho = 1000\) кг/м\(^3\), скорость звука в воде \(v_{\text{зв}} = 1250\) м/с.
▶Показать разборСкрыть разбор
ПодсказкаКакая масса воды останавливается при перекрытии трубы за время, пока по ней проходит волна остановки? Запишите второй закон Ньютона в импульсной форме.
Ответ\(V = 2\) м/с.
РешениеПри резком перекрывании трубы мгновенно останавливается не вся вода в трубе, а только ближайший к месту перекрытия слой воды, массу которого можно определить по второму закону Ньютона в импульсной форме: \[mV = F\,\Delta t,\] где \(m\) — масса остановившегося слоя воды, \(V\) — его скорость перед остановкой, то есть скорость потока, \(F\) — сила, действующая на слой воды, \(\Delta t\) — время до полной остановки.
После остановки первого слоя останавливается второй, третий и т. д. слой воды. Таким образом, граница между уже покоящейся водой и ещё движущейся перемещается со скоростью, равной скорости звука в воде (самая наглядная аналогия — остановка потока машин перед светофором). Очевидно, что в трубе длиной \(L\) вода остановится за время \[\Delta t = \frac{L}{v_{\text{зв}}}.\] Подставим это время во второй закон Ньютона, где масса теперь будет обозначать всю массу воды в трубе длиной \(L\) и площадью поперечного сечения \(S\): \[\rho S L V = F\,\frac{L}{v_{\text{зв}}}.\] Преобразовав данное уравнение с учётом того, что отношение силы к площади поперечного сечения есть давление, получим \[p = \rho V v_{\text{зв}},\] откуда \[V = \frac{p_{\max}}{\rho v_{\text{зв}}} = \frac{25\cdot 10^5}{1000\cdot 1250} = 2~\text{м/с}.\]
Похожие задачи
- Шар на нити на платформе у упора Физтех 2010/11, 11 кл.
- Шайба и горка ВсОШ 2010/11, 9 кл.
- Скорость санок при толчке мальчика на льду Ведомственная 2013/14, 10 кл.
- Два заряженных шарика на нити «Шаг в будущее» 2014/15, 11 кл.
- Игрушечные пушки Санкт-Петербургская 2015/16, 10 кл.
- Маятник на скользящей муфте МОШ 2018/19, 10 кл.