Cap.V. Statica fluidelor.

• Probleme rezolvate.
• Exerciții recapitulative.
• Test de autoevaluare.

Probleme rezolvate.

🔓 Probleme rezolvate - Presiunea.

5.1. Un corp paralelipipedic de 400 g are următoarele dimensiuni:

L = 0,003 hm

l = 15 cm

h = 100 mm

Află cele trei presiuni exercitate de corp asupra unei suprafețe.

Rezolvare:

Scriem datele problemei și le transformăm în SI.
m = 400 g = 0,4 kg
G = m ∙ g = 0,4 kg ∙ 10 N/kg = 4 N
L = 0,003 hm = 0,3 m
l = 15 cm = 0,15 m
h = 100 mm = 0,1 m.

Aplicăm formula presiunii și înlocuim datele problemei:

5.2. Un om bate în perete un cui cu o forță de 600 N care face un unghi α =30° cu peretele. Vârful cuiului are 2 cm². Află presiunea exercitată de om asupra peretelui.

Rezolvare:

Scriem datele problemei și le transformăm în SI
F = 600 N
S = 2 cm² = 2/10000 m²

Etalon:
1 cm : 100 N

Calculăm modulul forței normale asupra peretelui

F_n = F ∙ cosα = 600 ∙ 1/2 = 300 N

Scriem formula presiunii și înlocuim datele problemei:

5.3. Un corp paralelipipedic din aluminiu cu densitatea de 2700 kg/m³ și înălțimea de 20 cm este așezat pe un plan înclinat cu unghiul de 60° (cos 60° = 0,5). Calculează presiunea exercitată de corp asupra planului înclinat.

Rezolvare:

Notăm datele problemei și le transformăm în SI:
ρ = 2700 kg/m₃
h = 20 cm = 0,2 m
α = 60°
p = ?

Scriem formula presiunii și calculăm mărimile din formulă:

🔓 Probleme rezolvate - Presiunea hidrostatică

5.4. Determină ce presiune exercită apa cu densitatea de 1000 kg/m³ la adâncimea de 100 m ?

Rezolvare:

Notăm datele problemei:
ρ = 1000 kg/m³
h = 100 m
p = ?

Scriem formula presiunii hidrostatice:

p = ρ ∙ g ∙ h = 1000 kg/m³ ∙ 10 N/kg ∙ 100 m = 1.000.000 Pa

5.5. Marea Moartă din Iordania are suprafața apei la cea mai scăzută altitudine de pe glob(427 m sub nivelul mării). Ea este cea mai sărată apă din lume, de 9,6 ori mai sărată decât oceanul planetar. Conținutul extrem de săruri este foarte neprielnic vieții și de aici numele de Marea Moartă. Alte recorduri: apa cu cea mai mare concentrație de brom din lume și lacul hipersalin cel mai adânc de pe pământ (306 metri).

Se cere:
La ce adâncime în Marea Moartă cu densitatea de 1240 kg/m³, apa exercită o presiune de 3.720.000 Pa?

Rezolvare:

Notăm datele problemei:
ρ = 1240 kg/m³
h = ?
p = 3.720.000 Pa

Scriem formula presiunii hidrostatice și scoatem necunoscuta, h:

p = ρ ∙ g ∙ h

5.6. Un pahar cilindric cu aria bazei S = 20 cm² conține mercur până la înălțimea de 10 cm. Peste mercur se pune 400 g apă. Densitatea mercurului este 13600 kg/m³, iar a apei este 1000 kg/m³.

Să se calculeze:
a) Înălțimea coloanei de apă, știind că este nemiscibilă cu mercurul (nu se amestecă).
b) Presiunea exercitată de cele două lichide asupra fundului vasului.

Rezolvare:

Scriem datele problemei și le transformăm în SI:
S = 20 cm² = 0,002 m²
h₁ = 10 cm = 0,1 m
ρ₁ = 13600 kg/m³
ρ₂ = 1000 kg/m³
m₂ = 400 g = 0,4 kg
h₂ = ?
p = ?

Cu formula densității, aflăm volumul de apă adăugat:

Lichidele luând forma vasului, au aceeași arie a bazei cu a paharului, deci volumul apei este:

V₂ = S ∙ h₂

Calculăm presiunile hidrostatice ale celor două lichide:

p₁ = ρ₁ ∙ g ∙ h₁ = 13.600 kg/m³ ∙ 10 N/kg ∙ 0,1 m = 1.3600 Pa

p₂ = ρ₂ ∙ g ∙ h₂ = 1.000 kg/m³ ∙ 10 N/kg ∙ 0,2 m = 2.000 Pa

p = p₁ + p₂ = 13600 Pa + 2000 Pa = 15.600 Pa

5.7. Într-o sticlă cu gâtul lung se pune apă până la jumătatea sticlei. Răsturnăm apoi sticla astfel încât să se sprijine pe dop. Cum va fi presiunea exercitată de apă când sticla stă pe fund față de presiunea apei când sticla stă pe dop?

Rezolvare:

Când sticla stă pe dop, înălțimea apei este mai mare din cauza gâtului mai subțire decât când stă pe fund. Deci presiunea exercitată de apă este mai mică când stă pe fund decât pe dop. Presiunea hidrostatică, pentru același lichid, nu depinde de aria fundului vasului, ci numai de înălțimea coloanei de lichid din vas.

5.8. Lichidul dintr-o pipetă curge numai dacă se apasă ușor pe tubul din plastic. De ce lichidul nu curge singur când pipeta este verticală?

Rezolvare:

Presiunea aerului de deasupra lichidului din pipetă (p) este mai mică decât presiunea atmosferică (p0) de la vârful pipetei. Presiunea atmosferică este egală cu presiunea aerului din pipetă plus presiunea lichidului din pipetă (ρ ∙ g ∙ h).

p₀ = p + ρ ∙ g ∙ h > p

🔓 Probleme rezolvate - Presiunea atmosferică.

5.9. Calculează forța de apăsare pe care aerul atmosferic o exercită asupa unui geam cu lungimea de 1 m și lățimea de 60 cm, știind că presiunea aerului este 10⁵ Pa.

Rezolvare:

Notăm datele problemei:
L = 1 m
l = 60 cm = 0,6 m
p = 100.000 Pa
F = ?

Scriem formula presiunii și scoatem necunoscuta, F:

Calculăm aria geamului și înlocuim datele:
S = L ∙ l = 1 m ∙ 0,6 m = 0,6 m²
F = p ∙ S = 100.000 Pa ∙ 0,6 m² = 60.000 N

Observăm o forță enormă din partea aerului asupra geamului și totuși geamul nu se sparge, deoarece aerul acționează și din exterior și din interior cu aceeași forță, având o forță rezultantă egală cu zero.

5.10. Ce lungime ar trebui să aibă tubul lui Torricelli, dacă în loc de mercur am folosi apă ? Presiunea atmosferică normală este de 100.000 Pa, iar densitatea apei este 1000 kg/m³.

Rezolvare:

Notăm datele problemei:
h_{col. apă} = ? m
p = 100.000 Pa
ρ = 1000 kg/m³

Scriem formula presiunii atmosferice și scoatem necunoscuta, h_{col. apă} :

5.11. Un pahar de 400 cm³ și cu diametrul gurii de 6 cm, plin cu apă, se acoperă cu un carton și se răstoarnă. Densitatea apei este 1000 kg/m³.

Se cere:

a) Ce forță de apăsare exercită apa asupra cartonului ?

b) Ce forță de apăsare exercită aerul atmosferic asupra cartonului, știind presiunea aerului de 100.000 Pa ?

Rezolvare:

Notăm datele problemei și le transformăm în SI:
F_{col. apă} = ?
F_{col. aer} = ?
p = 100.000 Pa
ρ = 1000 kg/m³
V = 400 cm³ = 400 ∙ (0,01m)³ = 0,0004 m³
D = 6 cm
R_cerc = D/2 = 3 cm = 0,03 m

Forța de apăsare a apei este chiar greutatea apei din pahar:

F_{col. apă} = G_{col. apă} = m ∙ g = ρ_apă ∙ V ∙ g = 1000 kg/m³ ∙ 0,0004 m³ ∙ 10 N/kg = 4 N

Forța de apăsare a aerului o aflăm din formula presiunii:

🔓 Probleme rezolvate - Legea lui Pascal.

5.12. O mașină de 1000 kg este ridicată cu ajutorul unui elevator hidraulic. Știind razele pistoanelor de 10 cm, respectiv 50 cm, calculează:

a) forța necesară ridicării mașinii;

b) cursa pistonului mare, știind cursa pistonului mic de 30 cm.

Rezolvare:

Notăm datele problemei și transformăm în SI:
m = 1000 kg
R₁ = 10 cm = 0,1 m
R₂ = 50 cm = 0,5 m
h₁ = 30 cm = 0,3 m
F₁ = ?
h₂ = ?

Calculăm greutatea mașinii, care reprezintă forța exercitată de lichid asupra pistonului mare, adică F₂:
F₂ = G = m ∙ g = 1.000 kg ∙ 10 N/kg = 10.000 N

Scriem ecuația principiului de funcționare al presei hidraulice:

Calculăm ariile transversale ale celor doi cilindri, care sunt niște cercuri:

S₁ = π ∙ R₁² = π ∙ (0,1 m)² = π ∙ 0,01 m²
S₂ = π ∙ R₂² = π ∙ (0,5 m)² = π ∙ 0,25 m²

Scoatem necunoscuta, F₁ din ecuația principiul de funcționare al presei hidraulice și înlocuim datele:

b) Conform legii lui Pascal, volumul de lichid din cilindrul mic este egal cu volumul de lichid din cilindrul mare:

5.13. Într-un tub U se toarnă apă, cu densitatea de 1000 kg/m₃ și apoi, în ramura din stânga se toarnă o coloană de ulei cu înălțimea h₁ = 10 cm. Uleiul fiind nemiscibil cu apa, apare o denivelare în ramura stângă de 2 cm. Determină densitatea uleiului folosit. Se dă presiunea aerului, p₀ = 10.000 Pa

Rezolvare:

Notăm datele problemei și le transformăm în SI:
ρ_apă = 1000 kg/m³
h₁ = 10 cm = 0,1 m (înălțimea coloanei de ulei)
Δh = 2 cm = 0,02 m (denivelarea lichidelor din cele două ramuri)
p₀ = 10.000 Pa
ρ_ulei = ?

Presiunea exterioară exercitată de ulei, p_A, este transmisă integral apei din ramura dreaptă, p_B, conform Legii lui Pascal:
p_A = p_B

Calculăm cele două presiuni, ținând cont și de presiunea atmosferică ce se exercită asupra celor două ramuri ale tubului U:
Δh = h₁ – h₂ = 0,02 m
h₂ = h₁ – Δh = 0,1 - 0,02 = 0,08 m (înălțimea coloanei de apă de deasupra nivelului B, care este același cu nivelul A)
p_A = p₀ + ρ_ulei ∙ g ∙ h₁ = 100.000 + ρ_ulei ∙ 10 ∙ 0,1 = 100.000 + ρ_ulei
p_B = p₀ + ρ_apă ∙ g ∙ h₂ = 100.000 + 1000 ∙ 10 ∙ 0,08 = 100.000 + 800 = 100.800
p_A = p_B
100.000 + ρ_ulei = 100.800
ρ_ulei = 100.800 – 100.000 = 800 kg/m³

🔓 Probleme rezolvate - Legea lui Arhimede.

5.14. Un cub de plută cu latura de 0,3 dm și densitatea de 200 kg/m³, se introduce în apă, care are densitatea de 1000 kg/m³.

Se cere:

a) Valoarea forței arhimedice.

b) Valoarea forței rezultante ce acționează asupra corpului în apă. Cum se numește această forță?

c) Ce înălțime h are porțiunea de cub care este sub apă?

Rezolvare:

Notăm datele problemei și le transformăm în SI:
l = 0,3 dm = 0,03 m
ρ_plută = 200 kg/m³
ρ_apă = 1000 kg/m³
F_A = ?
R = ?
h = ?

a) Calculăm volumul cubului:
V_cub = l³ = (0,03 m)³ = 0,000027 m³

Aplicăm formula forței arhimedice din Legea lui Arhimede:
F_A = ρ_apă ∙ V_cub ∙ g = 1000 kg/m³ ∙ 0,000027 m³ ∙ 10 N/kg = 0,27 N

b) Calculăm greutatea corpului:
G = m ∙ g = ρ_plută ∙ V_cub ∙ g = 200 kg/m³ ∙ 0,000027 m³ ∙ 10 N/kg = 0,054 N
Deoarece | F_A | > | G | apare o forță rezultantă, care acționează asupra corpului pe verticală, în sus, numită forță ascensională (F_a) care determină ieșirea corpului parțial din lichid.
| F_a | = | F_A - G | = 0,27 – 0,054 = 0,216 N

c)Porțiunea scufundată dezlocuiește un volum de lichid egală cu greutatea corpului:
| F_A | = | G |

5.15. Un corp cântărește în aer 800 g, iar cufundat în glicerină are 600 g. Știind densitatea glicerinei de 1260 kg/m³, află:

a) Volumul corpului.

b) Forța rezultantă. Ce face corpul cufundat în acest lichid ?

Rezolvare:

Notăm datele problemei și le transformăm în SI:
m = 800 g = 0,8 kg
m_aparent = 600 g = 0,6 kg
ρ_glicerină = 1260 kg/m³
a) V _corp = ?
b) R = ?

a)Calculăm greutatea corpului și greutatea aparentă:
G = m ∙ g = 0,8 kg ∙ 10 N/kg = 8 N
G_ap = m_ap ∙ g = 0,6 kg ∙ 10 N/kg = 6 N

Calculăm forța arhimedică cu cele două formule ale sale:
F_A = G – G_ap = 8 N – 6 N = 2 N
F_A = ρ_glicerină ∙ V_corp ∙ g = 1260 ∙ V_corp ∙ 10
2 = 1260 ∙ V_corp ∙ 10
V_corp = 2/12600 = 0,0001 m³

b) Deoarece | F_A | < | G | apare o forță rezultantă, care acționează asupra corpului pe verticală, în jos, numită greutate aparentă (G_ap) care determină scufundarea corpului în lichid.
| G_ap | = | G – F_A | = 8 N – 2 N = 6 N

5.16. O sferă de oțel de 500 cm³ și densitatea de 7800 kg/m³ este suspendată de un dinamometru în aer și apoi cufundată în apă, cu densitatea de 1000 kg/m³. Ce indică dinamometrul când sfera este în aer, respectiv în apă ?

Rezolvare:

Scriem datele problemei și le transformăm în SI:
V_c = 500 cm³ = 0,0005 m³
ρ_c = 7800 kg/m³
ρ_apă = 1000 kg/m³
G, G_ap = ?

Calculăm masa sferei:
m = ρ_c ∙ V_c = 7800 kg/m³ ∙ 0,0005 m³ = 3,9 kg

Calculăm greutatea sferei:
G = m ∙ g = 3,9 kg ∙ 10 N/kg = 39 N

Calculăm forța arhimedică :
F_A = ρ_apă ∙ V_c ∙ g = 1000 kg/m³ ∙ 0,0005 m³ ∙ 10 N/kg = 5 N

Calculăm greutatea aparentă (când sfera este cufundată în apă):
| F_A | = | G – G_ap |
| G_ap | = | G – F_A | = 39 N – 5 N = 34 N

5.17. Un iceberg care plutește în apa oceanului cu densitatea ρ = 1010 kg/m³, are partea de deasupra apei V₀ = 600 m³. Știind densitatea gheții ρ₀ = 920 kg/m³, află volumul, V, al icebergului.

Rezolvare:

Scriem datele problemei:
V₀ = 600 m³
ρ = 1010 kg/m³
ρ₀ = 920 kg/m³
V = ?

Calculăm volumul icebergului scufundat în apă:
V_scufundat = V - V₀

Porțiunea scufundată dezlocuiește un volum de lichid egală cu greutatea corpului:
| F_A | = | G |
ρ ∙ V_scufundat ∙ g = ρ₀ ∙ V ∙ g
ρ ∙ V_scufundat = ρ₀ ∙ V
ρ ∙ (V-V₀) = ρ₀ ∙ V
ρ ∙ V - ρ ∙ V₀ = ρ₀ ∙ V
V ∙ (ρ - ρ₀) = ρ ∙ V₀

Exerciții recapitulative.

🔐 Exerciții - Legea lui Arhimede.

5.18. Ce se întâmplă cu un vapor când trece din Dunăre în Marea Neagră?

🔐 Exerciții recapitulative - Presiunea

5.19. Completează următoarele afirmații.

a) Presiunea este o mărime fizică egală cu raportul dintre forța de apăsare și …………… suprafeței pe care se distribuie forța de apăsare.

b) Presiunea atmosferică este presiunea ……………………… datorată ……………

c) Presiunea statică din interiorul unui lichid se numește presiune………………………… fiind datorată ………………lichidului.

d) În două sau mai multe vase comunicante lichidul urcă la………………… .

e) Presiunea exterioară exercitată asupra unui fluid se transmite în toată………………fluidului și în toate………………….

f) Asupra unui corp cufundat într-un fluid se exercită o forță pe direcție…………………cu sensul………………, numită forță………… , egală cu …………… volumului de fluid dezlocuit de corp.

5.20. Recunoaște pe ce se bazează următoarele aplicații:

a) Densimetrul

b) Indicatorul de nivel al unui rezervor cu apă (ulei)

c) Frâna de picior de la mașină

d) Urme mai puțin adânci pe zăpadă cu schiuri decât cele lăsate cu bocanci

e) Baloanele cu aer cald

f) Pompa de vid

g) Elevatorul auto

h) Altimetrul

i) Stropitoarea

j) Scaunul stomatologic

k) Submarinul

5.21. Completează următoarele afirmații referitoare la forța arhimedică, F_A:

a) Are direcție …………………………, sensul în …………………… și punctul de aplicație în centrul de greutate al volumului de lichid …………………… .

b) Egală în modul cu …………… fluidului dezlocuit.

c) ……………………… depinde de greutatea și forma corpului, de adâncimea de imersiune, de înălțimea lichidului din vas.

d) Valoarea ei depinde de ……………………… lichidului în care cufundăm corpul și ………………. corpului.

5.22. Care sunt cei doi factori de care depinde presiunea atmosferică?

5.23. Desenează o presă hidraulică și denumește componentele ei.

5.24. Cum a măsurat Torricelli presiunea atmosferică?

5.25. Presiunea care se exercită asupra unei suprafețe de 1 m² este de 10 Pa. Cât este unghiul pe care îl face direcția forței cu normala la suprafața respectivă, știind că forța de apăsare este de 20 N?

5.26. Un cilindru de oțel de 400 cm³, cu densitatea de 7800 kg/m³ are diametrul de 5 cm. Ce presiune exercită el asupra unei suprafețe?

5.27. Într-un tub U se toarnă glicerină cu densitatea de 1260 kg/m³ și apoi apă cu densitatea de 1000 kg/m³. Coloana de glicerină are lungimea de 15 cm. Cât este denivelarea celor două lichide din ramurile tubului?

5.28. Diametrele pistoanelor unei prese hidraulice sunt 20 mm, respectiv 8cm. Asupra pistonului mic se exercită o forță de 40 N, având o cursă de 30 cm. Află forța ce ridică pistonul mare și cursa acestuia.

5.29. Un ou de 60 g și cu volumul de 60 cm³ este pus într-o saramură (soluție de sare). Volumul scufundat al oului este de 50 cm³. Cât este densitatea saramurii?

5.30. Un cub de lemn cu latura de 4 cm și densitatea de 600 kg/m³, se introduce în apă, care are densitatea de 1000 kg/m³. Află:

a) Valoarea forței arhimedice.

b) Valoarea forței rezultante ce acționează asupra corpului în apă. Cum se numește această forță ?

c) Ce înălțime h are porțiunea de cub care este sub apă ?

5.31. Ce înălțime ar trebui să aibă tubul lui Torricelli, dacă în loc de mercur am folosi ulei cu densitatea de 800 kg/m³, știind presiunea atmosferică normală de 100.000 Pa?

Test de autoevaluare.

📝 TEST1: Test de autoevaluare - Presiunea

5.32. Completează următoarele afirmații: -1p

a) Presiunea atmosferică este presiunea exercitată de .....................................

b) Presiunea exterioară exercitată asupra unui fluid se transmite în toată........ fluidului.

c) Presiunea hidrostatică este datorată ....................................................................

d) Asupra unui corp cufundat într-un fluid se exercită o forță orientată ............................ numită forță arhimedică.

5.33. Ce principiu sau lege au la bază următoarele aplicații: -1p

a) Excavatorul

b) Sifonul chiuvetei

c) Plutirea vapoarelor

d) Tăierea obiectelor ascuțite.

5.34. Desenează o presă hidraulică și denumește componentele ei. -1p

5.35. Cum a măsurat fizicianul Torricelli presiunea atmosferică? -1p

5.36. Cum demonstrăm experimental apăsarea aerului de jos în sus ? -1p

5.37. Cât este adâncimea în interiorul unui vas cu alcool, cu densitatea de 800kg/m³, unde se exercită o presiune de 200 Pa? -1p

5.38. Un corp cântărește în aer 120g, iar cufundat în alcool are 110g. Știind densitatea alcoolului de 800 kg/m³, află:

a) Volumul corpului. -1p

b) Forța rezultantă. Ce face corpul cufundat în acest lichid? Reprezintă forțele ce acționează asupra corpului. -1p

Oficiu -2p