Решение: Смещение поршня после открытия
Горизонтальный сосуд разделён подвижным поршнем, который может свободно перемещаться без трения. Правая часть сосуда заполнена воздухом и герметично закрыта пробкой, левая часть сосуда открыта. Поршень соединён пружиной с левой стенкой сосуда. Первоначально поршень находится в равновесии, а пружина сжата. В недеформированном состоянии длина пружины больше, чем показанная на рисунке, но меньше, чем длина сосуда. Опишите, куда сместится поршень, если из правой части сосуда вынуть пробку. Температуру воздуха считать постоянной. Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности Вы использовали для объяснения.
Решение по шагам
4 шагаДо удаления пробки на поршень слева действует сила атмосферного давления, направленная вправо, а справа — сила давления заключённого воздуха, направленная влево. Кроме того, сжатая пружина действует на поршень вправо.
Так как поршень первоначально находится в равновесии, давление воздуха в правой части больше атмосферного: сила его давления уравновешивает атмосферную силу и силу сжатой пружины.
$$p_{\text{прав}} S = p_{\text{атм}} S + F_{\text{упр}}$$После удаления пробки правая часть сосуда сообщается с атмосферой. Воздух выходит из сосуда, его объём и давление изменяются при постоянной температуре, пока давление не станет равным атмосферному.
$$p_{\text{прав}} = p_{\text{атм}}$$Когда давления по обе стороны поршня равны, они взаимно компенсируются. Остаётся сила сжатой пружины, направленная вправо, поэтому поршень смещается вправо. При этом пружина растягивается до недеформированного состояния, поскольку её естественная длина больше первоначальной.
Поршень сместится вправо. После удаления пробки давление воздуха справа станет атмосферным, давления по обе стороны поршня уравновесят друг друга, и сжатая пружина переместит поршень вправо.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Указать смещение влево, не учитывая направление силы сжатой пружины.
Считать, что после удаления пробки давление справа останется больше атмосферного.
Не объяснить, почему после открытия сосуда давления по обе стороны поршня выравниваются.