Сообщающиеся сосуды. Изменение потенциальной энергии

[realeugene]

Munin в сообщении #1435025 писал(а):

Все мы любим физический смысл в физических задачах. Но неужели вы полагаете, что во всём курсе физики (за 5 лет) не должно быть задач, решаемых формально, и этого вообще возможно добиться, и имеет смысл добиваться?

Так закон сохранения энергии - это и есть "физический смысл" в этой задаче.

[valery.]

Munin в сообщении #1435025 писал(а):

Все мы любим физический смысл в физических задачах. Но неужели вы полагаете, что во всём курсе физики (за 5 лет) не должно быть задач, решаемых формально, и этого вообще возможно добиться, и имеет смысл добиваться?

Ок, я средний школьник и в этой задаче хочу найти работу силы трения. Именно она съест часть механической энергии системы, превратив ее в теплоту. Осталось дело за малым: найти саму силу трения и тот путь, на котором совершается эта работа. Реализуем данный подход?

[realeugene]

valery. в сообщении #1435031 писал(а):

Реализуем данный подход?

Нет. Заметного трения в чистом виде в этой задаче нет вообще. Есть вязкость воды. Вязкостное сопротивление воды будет зависеть от геометрии всей трубки. При описанных диаметрах трубок, возможно, течение турбуляризируется. Численные расчёты в гидродинамике сложны, а считать турбулентность более-менее точно сложно совсем. Меньшая часть энергии переработается в тепло воздушными потоками. С ними заведомо будут вихри. Часть энергии, возможно, улетит со звуком и будет поглощена потолком. Но главное, что по какому бы пути энергия не перерабатывалась в тепло, закон сохранения энергии позволяет сказать, сколько тепла в конце концов выделится, когда всё успокоится. Именно это и должен прочувствовать школьник на уровне "физического смысла", решая подобные задачи.

[Emergency]

valery. в сообщении #1435031 писал(а):

дело за малым: найти саму силу трения

Это проще делать вискозиметром.
В вашем примере поршень и трубка с переменным сечением осложнят решение.

[Munin]

valery. в сообщении #1435031 писал(а):

Ок, я средний школьник

Если вы средний школьник, то умерьте амбиции. Вы пока выступаете как учитель / репетитор или даже критик учебников.

valery. в сообщении #1435031 писал(а):

Осталось дело за малым: найти саму силу трения и тот путь, на котором совершается эта работа. Реализуем данный подход?

Реализуем, но правда, даст неадекватный ответ. Но школьник может остаться удовлетворён.

Школьнику рассказывают $A=F\,s,$ а на самом деле, $dA=F\,ds,$ и далее,

$$A=\int F\,ds=\dfrac{\int F\,ds}{s}\,s=\langle F\rangle\,s,$$

где можно ввести некую "силу, усреднённую по перемещению", буквально,

$$\langle F\rangle=\dfrac{1}{s}\int F\,ds.$$

Ну и рассчитать эту $\langle F\rangle$ задом наперёд через известную работу.

[valery.]

realeugene в сообщении #1435035 писал(а):

valery. в сообщении #1435031 писал(а):

Реализуем данный подход?

Нет. Заметного трения в чистом виде в этой задаче нет вообще. Есть вязкость воды. Вязкостное сопротивление воды будет зависеть от геометрии всей трубки. При описанных диаметрах трубок, возможно, течение турбуляризируется. Численные расчёты в гидродинамике сложны, а считать турбулентность более-менее точно сложно совсем. Меньшая часть энергии переработается в тепло воздушными потоками. С ними заведомо будут вихри. Часть энергии, возможно, улетит со звуком и будет поглощена потолком. Но главное, что по какому бы пути энергия не перерабатывалась в тепло, закон сохранения энергии позволяет сказать, сколько тепла в конце концов выделится, когда всё успокоится. Именно это и должен прочувствовать школьник на уровне "физического смысла", решая подобные задачи.

Ха-ха, в том-то и ДЕЛО!!! Вспоминая начало топика, видим, что оказывается надо чуть-чуть больше понимать физику данной задачи для уверенного решения тем или иным способом, что и требовалось доказать демагогам-пустословам...
Другие примеры приводить?

-- 13.01.2020, 20:22 --

Munin в сообщении #1435039 писал(а):

Реализуем, но правда, даст неадекватный ответ. Но школьник может остаться удовлетворён.

О чем речь? Очевидно, Ваше решение будет неверным только по той причине, что причина выделения теплоты НЕ есть сила трения в понимании ее школьником! Вот для этого и надо чуть-чуть вникать в физическую суть задачи, прежде чем ее решать. На это и был направлен мой последний пример...

[VASILISK11]

valery. в сообщении #1435040 писал(а):

Ха-ха, в том-то и ДЕЛО!!! Вспоминая начало топика, видим, что оказывается надо чуть-чуть больше понимать физику данной задачи для уверенного решения тем или иным способом, что и требовалось доказать демагогам-пустословам...
Другие примеры приводить?

Так где обещанное решение? Чтобы не быть демагогом-пустословом, надо выполнять обещания.

[valery.]

VASILISK11 в сообщении #1435042 писал(а):

обещанное решение? Чтобы не быть демагогом-пустословом, надо выполнять обещания

Может оно там, где кто-то утверждал, про обыденность этой школьной задачи... Решите сами, я укажу схему, как обещал.
Будет сложно, начните тему, помогут...

[Munin]

realeugene в сообщении #1435035 писал(а):

Заметного трения в чистом виде в этой задаче нет вообще. Есть вязкость воды.

Потери в вязком течении - это тоже разновидность трения. "Трение" - вообще такой зонтичный термин. Например, если происходит трение двух смазанных поверхностей, то практически целиком оно обеспечивается вязкостью в жидком слое.

valery. в сообщении #1435040 писал(а):

...причина выделения теплоты НЕ есть сила трения в понимании ее школьником!

У школьника нет какого-то своего понимания силы трения. Ему про силу трения рассказывают, и рассказывают не всё.
Внимательные школьники знают и понимают, что:
- стандартная "сила трения" - это сила сухого трения твёрдых тел, в двух видах: сила трения покоя и сила трения скольжения;
- бывает ещё и сила трения качения;
- бывает сила трения скольжения в случае наличия смазки;
- движение, скажем, корабля или лодки по воде по инерции - рано или поздно заканчивается из-за трения об воду;
- аналогично, течение воды по трубе требует затрат энергии из-за трения воды о трубу.

Если авторы задачи предпочли что-то назвать "силой трения" - то школьник не достаточно авторитетен, чтобы с ними в этом спорить.

[VASILISK11]

valery. в сообщении #1435019 писал(а):

Walker_XXI в сообщении #1435010 писал(а):

Вот чисто ради интереса, сможете набросать схему второго решения?

Да, я дам схему 2-го решения.

Где оно? Условие задачи дано, в первом посте, потом были пара формул и все заглохо. Не можете написать несколько формул?

[valery.]

VASILISK11 в сообщении #1435045 писал(а):

написать несколько формул

для кого?

-- 13.01.2020, 21:10 --

Munin в сообщении #1435044 писал(а):

Ему про силу трения рассказывают, и рассказывают не всё

Себя слышите? Есть школьная программа, там вязкое трение даже не упоминается. К чему может привести незнание с непониманием, я пример уже приводил... И никакое интегрирование здесь не поможет, если не понимаешь, что интегрировать...

[amon]

valery. в сообщении #1434999 писал(а):

Ответ: 100 мДж.

Прекрасно. Предлагаю Вам написать как Вы получили эту замечательную цифру.

[Munin]

valery. в сообщении #1435048 писал(а):

Есть школьная программа, там вязкое трение даже не упоминается.

Есть школьная программа базовая и профильная. Есть требования, какие задачи должны уметь решать школьники, а есть содержание учебников. Я бы не утверждал категорично, что вязкое трение "нигде не упоминается". Если вы заявляете что-то более категоричное, извольте:
- приводите тексты ФГОС;
- приводите рекомендованные учебники (их много, легко забраться в десятки);
- приводите задачи ЕГЭ;
- к учебникам прилагаются методические материалы для учителей, их тоже хорошо бы перечислить с подтверждениями вашего заявления;
ну и так далее.

[valery.]

1 из вариантов решения:

При переходе системы «груз-поршень-вода» из начального состояния (см. рис. левый)
в состояние равновесия (см. рис. правый), происходит изменение механичеcкой энергии системы:
ΔЕмех = ΔЕпот.груза + ΔЕпот.воды. (1) Здесь ΔЕпот.груза = – mgх1 (2)

ΔЕпот.воды можно найти так.
Уберем груз и очень медленно будем двигать поршень вниз на расстояние х1 от начального уровня, действуя на него силой F = mg .
Работа, совершенная этой силой, А = mgх1/2 пойдет на увеличение потенциальной энергии воды: ΔЕ пот.воды = mgх1/2 (3)
Из формул (1) – (3) следует: ΔЕмех = -mgх1/2

Значение х1 найдем из системы уравнений mg/S1 = $\rho$g(x1+x2) (условие равновесия системы в конечном состоянии) и
S1х1 = S2х2 (постоянства объема жидкости, иначе, условия несжимаемости жидкости).
Таким образом, х1 = m/($\rho$S1)$\cdot$S2/(S1+S2) и Емех = - mgх1/2 = - m^2gS2 /[2$\rho$S1(S1+S2)]

В соответствии с законом сохранения полной энергии Емех + Евнутр = соnst, ΔЕвнутр = – ΔЕмех ,
т. е. внутренняя энергия воды увеличится на ΔЕвнутр = m^2gS2 /[2$\rho$S1(S1+S2)]
Это приведет к повышению температуры воды и выделению тепла в окружающую среду пока температура воды не снизится до первоначальной.
Выделившееся количество теплоты Q = ΔЕвнутр = m^2gS2 /[2$\rho$S1(S1+S2)]
После подстановки и вычислений получаем Q = 100 мДж.

-- 13.01.2020, 22:15 --

Munin в сообщении #1435056 писал(а):

Если вы заявляете что-то более категоричное, извольте:
- приводите тексты ФГОС;
- приводите рекомендованные учебники (их много, легко забраться в десятки);
- приводите задачи ЕГЭ;
- к учебникам прилагаются методические материалы для учителей, их тоже хорошо бы перечислить с подтверждениями вашего заявления;
ну и так далее.

Это не моя тема топика, Вы можете заинтересоваться самостоятельно. Я умом понимаю, что это не для массовой школы: ей как бы с другими, более простыми задачами справиться...

[Munin]

valery. в сообщении #1435058 писал(а):

Я умом понимаю, что это не для массовой школы. Ей бы с другими задачами справиться...

Значит, вы просто перепутали, что фактически в школе есть, и чего вам бы хотелось, чего бы там было, и чего бы там не было.