Физика · тема 10 из 19 · ОГЭ № 1–6, 20–22 · ЕГЭ № 4–6, 26

Статика и гидростатика

Когда тело находится в равновесии: момент силы, рычаги и блоки, центр тяжести, давление, законы Паскаля и Архимеда, условие плавания тел.

30 мин чтенияОГЭЕГЭ22 задания

Коротко

главное за 30 секунд
  1. Момент силы $M = Fl$, плечо $l$ — расстояние от оси до линии действия силы
  2. Равновесие: $\sum\vec F = 0$ и сумма моментов по часовой стрелке равна сумме моментов против
  3. Давление $p = \dfrac{F}{S}$; в жидкости на глубине $h$: $p = p_0 + \rho gh$
  4. Гидравлический пресс: $\dfrac{F_2}{F_1} = \dfrac{S_2}{S_1}$
  5. Сила Архимеда $F_A = \rho_ж gV_{погр}$; тело плавает, если $\rho_{т} \lt \rho_ж$, и тогда $F_A = mg$

Момент силы и правило рычага

Сила поворачивает тело тем сильнее, чем дальше от оси проходит её линия действия. Мера вращающего действия — момент силы:

$$M = Fl \qquad [M] = \text{Н}\cdot\text{м}$$ Плечо $l$ — кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы. Правило рычага (правило моментов): $F_1l_1 = F_2l_2$.
Плечо — не расстояние до точки приложения силы. Если сила приложена на расстоянии $d$ от оси под углом $\alpha$ к рычагу, то плечо $l = d\sin\alpha$. Сила, линия действия которой проходит через ось, имеет нулевое плечо и тело не поворачивает.

Простые механизмы. Рычаг даёт выигрыш в силе во столько раз, во сколько длинное плечо больше короткого. Неподвижный блок меняет только направление силы. Идеальный подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза. «Золотое правило механики»: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же проигрываем в расстоянии — выигрыша в работе нет.

Проверь себя. На рычаг действует сила 3 Н с плечом 40 см. Какое плечо (в сантиметрах) должна иметь сила 12 Н, чтобы рычаг был в равновесии?

Ответ: 10

F₁F₂l₁l₂M = F·l
Рис. 1. Правило рычага: F₁·l₁ = F₂·l₂ — моменты сил равны

Условия равновесия и центр тяжести

Тело находится в равновесии, если
1) векторная сумма всех сил равна нулю: $\sum\vec F = 0$;
2) сумма моментов сил относительно любой оси равна нулю (моменты «по часовой» уравновешены моментами «против»).

Центр тяжести — точка приложения равнодействующей сил тяжести. У однородного стержня он в середине, у однородного прямоугольника — в точке пересечения диагоналей. Для двух грузов на лёгком стержне центр тяжести делит расстояние между ними в отношении, обратном массам: $m_1x_1 = m_2x_2$ (гантель с грузами 1 кг и 3 кг на стержне длиной 40 см: центр тяжести в 30 см от лёгкого груза).

Составляя уравнение моментов, выбирайте ось в точке, где приложена неизвестная сила, которую не спрашивают: её момент обнулится, и неизвестных станет меньше.

Пример. Однородная балка длиной 2 м и массой 10 кг подвешена горизонтально на двух вертикальных тросах за концы. На расстоянии 0,5 м от левого конца висит груз массой 30 кг. Найдите натяжения тросов.

Ось — в левом конце. Сила тяжести балки 100 Н приложена в середине (плечо 1 м), груз 300 Н — с плечом 0,5 м, правый трос — с плечом 2 м: $T_П\cdot 2 = 100\cdot 1 + 300\cdot 0{,}5$, $T_П = 125$ Н. Из равенства сил: $T_Л = 400 - 125 = 275$ Н.

Виды равновесия: устойчивое (при отклонении тело возвращается — центр тяжести ниже точки опоры или поднимается при отклонении), неустойчивое (шарик на вершине горки) и безразличное (шар на горизонтальном столе).

Давление твёрдых тел, жидкостей и газов

$$p = \dfrac{F}{S} \qquad p_{жидк} = \rho gh \qquad p_{полн} = p_0 + \rho gh$$ Единица давления — паскаль: 1 Па $=$ 1 Н/м². Нормальное атмосферное давление $p_0 \approx 10^5$ Па $\approx 760$ мм рт. ст.

Давление жидкости зависит только от её плотности и глубины и не зависит от формы сосуда (гидростатический парадокс). Каждые 10 м воды добавляют примерно 100 кПа — ещё одну «атмосферу».

Сообщающиеся сосуды: однородная жидкость устанавливается на одном уровне. Если жидкости разные, высоты столбов над границей раздела обратно пропорциональны плотностям: $\rho_1h_1 = \rho_2h_2$. Столб масла ($800$ кг/м³) высотой 20 см уравновешивается столбом воды высотой 16 см.

Если в задаче спрашивают «давление воды на глубине», обычно имеют в виду $\rho gh$. Если «полное давление» или «давление на водолаза» — прибавьте атмосферное $p_0$. Читайте условие внимательно. И переводите см² в м²: $1\ \text{см}^2 = 10^{-4}\ \text{м}^2$.
Проверь себя. Какое давление (в кПа) создаёт столб воды высотой 10 м? Плотность воды 1000 кг/м³, атмосферное давление не учитывайте.

Ответ: 100

Закон Паскаля и гидравлический пресс

Закон Паскаля: давление, производимое на жидкость или газ, передаётся без изменения в каждую точку жидкости или газа. На нём работают гидравлический пресс, домкрат, тормозная система автомобиля.

$$\dfrac{F_1}{S_1} = \dfrac{F_2}{S_2} \quad\Rightarrow\quad \dfrac{F_2}{F_1} = \dfrac{S_2}{S_1}, \qquad S_1h_1 = S_2h_2$$ Выигрыш в силе равен отношению площадей поршней; объём вытесненной жидкости одинаков, поэтому большой поршень сдвигается во столько же раз меньше.

Пример. Площадь малого поршня 2 см², большого — 200 см². На малый поршень давят с силой 150 Н. Большой поршень действует с силой $F_2 = 150\cdot\dfrac{200}{2} = 15\,000$ Н. Если малый поршень опустился на 20 см, большой поднимется всего на $20\cdot\dfrac{2}{200} = 0{,}2$ см.

Закон Архимеда и плавание тел

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости: $$F_A = \rho_ж\, g\, V_{погр}$$
  • Вес тела в жидкости: $P = mg - F_A$ — «динамометр показывает меньше».
  • $\rho_{т} \gt \rho_ж$ — тело тонет; $\rho_{т} = \rho_ж$ — плавает внутри жидкости; $\rho_{т} \lt \rho_ж$ — всплывает и плавает на поверхности.
  • Для плавающего тела $F_A = mg$, а доля погружённого объёма $\dfrac{V_{погр}}{V} = \dfrac{\rho_{т}}{\rho_ж}$. Лёд (900 кг/м³) погружён в воду на 90 %, над водой — 10 %.
Сила Архимеда не зависит ни от плотности тела, ни от глубины погружения (если тело погружено полностью). Шарики одинакового объёма из алюминия и из железа, полностью погружённые в воду, испытывают одинаковую выталкивающую силу.

Пример. Плавающее тело переложили из пресной воды в солёную. Оно по-прежнему плавает, поэтому $F_A = mg$ — сила Архимеда не изменилась. Но плотность жидкости больше, значит $V_{погр} = \dfrac{m}{\rho_ж}$ уменьшился — тело немного «всплыло».

Проверь себя. Какая часть объёма льдины (в процентах) находится над водой? Плотность льда 900 кг/м³, воды — 1000 кг/м³.

Ответ: 10

Практика

Закрепите тему: 22 задания для ОГЭ и ЕГЭ

От простых к сложным: базовый уровень — 6, повышенный — 11, высокий — 5. Мгновенная проверка, подсказки, подробные решения и тренажёр ошибок.

Решать задания по теме Флеш-карточки