12. Υγρά σε ισορροπία. Ένα εύκολο αλλά πονηρό θέμα Β

Στο ανοικτό δοχείο περιέχονται δύο διαφορετικά μη αναμίξιμα υγρά Α και Β. Στη μια πλευρά του έχουν προσαρμοστεί δύο πιεσομετρητές (οι δύο σωλήνες Ι και ΙΙ που επικοινωνούν ο καθένας με το ένα από τα δύο υγρά). Οι αποστάσεις των δύο επιφανειών των υγρών από τη βάση του δοχείου είναι 2 m και 0,3 m Να υπολογίσετε

α) Το ύψος της στάθμης κάθε  υγρού μέσα στον αντίστοιχο σωλήνα.

β) Τη συνολική πίεση στον πυθμένα του δοχείου.

Δίνεται g = 10 m/s².

(Στο σχήμα οι στάθμες των υγρών στους δύο σωλήνες έχουν σχεδιαστεί εντελώς αυθαίρετα. Ως επίπεδο αναφοράς για τη μέτρηση των υψών θεωρείστε τον πυθμένα του δοχείου).

2. Εκροή από κλειστό δοχείο

Η κλειστή δεξαμενή του σχήματος έχει ύψος Η = 2m και περιέχει νερό μέχρι το ύψος h = 1,4 m και από εκεί και πάνω αέρα. Τα εμβαδά των καθέτων τομών των σωλήνων στα σημεία Α και Ο είναι αντίστοιχα S_A = 8 cm² και S_o = 2 cm².

H πίεση του αέρα μέσα στο δοχείο είναι Ρ = 1,5·10 N/m² και η πυκνότητα του νερού ρ = 10³ kg/m³.

α) Να βρεθεί η ταχύτητα εκροής του νερού από το άνοιγμα στο Ο.

β) Να βρεθεί το ύψος h₁ του νερού  στον ανοιχτό κατακόρυφο σωλήνα ΑΒ.

(Θεωρείστε αμελητέο το εμβαδό της διατομής στο Ο σε σχέση με το εμβαδό της επιφάνειας του υγρού στο κλειστό δοχείο).

γ)  Σιγά – σιγά η στάθμη του νερού στη δεξαμενή κατέρχεται και μετά πάροδο αρκετού χρόνου σταθεροποιείται σε ένα ύψος h₂. Να το υπολογίσετε.

δ) Να βρείτε την τελική τιμή της πίεσης του αέρα μέσα στο δοχείο. 

Δίνεται ότι: P_atm = 10⁵Ν/m² και g = 10 m/s² και ότι η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή.

ΟΔΗΓΙΑ  Στα ρευστά, ό,που έχω πιέσεις ή και ύψη εφαρμόζω νόμο Bernoulli, ό,που έχω διατομές εφαρμόζω νόμο συνέχειας. Σε σωλήνα με στάσιμο υγρό εφαρμόζω τη σχέση της υδροστατικής.  Αν ένα αέριο εκτονώνεται με σταθερή θερμοκρασία τότε ισχύει PV σταθ.

1. Βεντουρίμετρο και παροχή

Μέσα σε οριζόντιο σωλήνα ρέει νερό. Ο σωλήνας αποτελείται από δύο τμήματα με διατομές Α₁ = 4 cm² και Α₂ = 1 cm² αντίστοιχα. Σε κάθε τμήμα τού σωλήνα υπάρχει ένας κατακό­ρυφος λεπτός σωλήνας. Παρατηρούμε ότι στον πρώτο από αυτούς το νερό σχηματίζει στήλη ύψους h₁ = 15 cm. Η ταχύτητα του νερού στο δεύτερο τμήμα είναι υ₂ = 0,8 m/s. Να βρεθεί:

α) Πόσο είναι το ύψος h₂ της στήλης του νερού στον άλλο σωλήνα και

β) Σε πόσο χρόνο θα γεμίσει ένα αρχικά άδειο δοχείο όγκου V = 8 L, αν όλο το νερό που εξέρχεται ρίχνεται σε αυτό;

11. Έμβολα και ισορροπία (Απαιτούνται γνώσεις ισορροπίας στερεού)

Το πιστόνι (έμβολο) 1 του σχήματος έχει διάμετρο d = 0,5 cm, ενώ το πιστόνι 2 έχει διάμετρο D = 3 cm και πάνω του στηρίζεται σώμα μάζας m = 36 kg. Οι βάσεις των πιστονιών είναι σε άμεση επαφή με το υγρό και για να βρεθούν στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο πρέπει ο μοχλός να διατηρηθεί οριζόντιος, με τη βοήθεια της κατακόρυφης δύναμης F.

10ο. Εμβολο-στήριξη 2ο

Το αβαρές έμβολο εμβαδού Α = 10^-3 m² κλείνει ερμητικά το κάτω μέρος ενός αβαρούς δοχείου γεμάτο με νερό μάζας m = 10 kg και πυκνότητας ρ = 10³ kg/m², χωρίς αέρα, και δεν εμφανίζει τριβές με τα τοιχώματα του δοχείου.

Το έμβολο στηρίζεται κατάλληλα σε σταθερό βάθρο. Στην πάνω βάση του δοχείου ασκούμε μια κατακόρυφη προς τα κάτω δύναμη F = 100 Ν.

9. Εμβολο-στηρίξεις 1ο

Τα δύο αβαρή ισοϋψή δοχεία περιέχουν ίδια ποσότητα νερού πυκνότητας ρ. Δεν περιέχουν αέρα. Κλείνονται ερμητικά από αβαρή έμβολα, με εμβαδά Α₁ και Α₂  ( Α₁> Α₂)  που δεν εμφανίζουν τριβές με τα δοχεία.

Τα έμβολα στηρίζονται κατάλληλα σε σταθερό βάθρο.

Θέλουμε να συγκρίνουμε τις πιέσεις στα σημεία Ε και Δ.

8ο. Έμβολο + δύναμη + τρύπα στο δοχείο

Όπως πριν. Όμως τώρα έχουμε αφαιρέσει το πάνω έμβολο. Αν P_atm = 10⁵ N/m², h = 2 m, εμβαδό επιφάνειας εμβόλου Α = 10^-4 m², πυκνότητα υγρού ρ = 10³ kg/m³ και g = 10 m/s² τότε:

Ι) Το μέτρο της F για να μην μετακινείται το έμβολο πρέπει να είναι:

α) 2 Ν,   β) 12 Ν,   γ) 10 Ν

ΙΙ) Η πίεση στο Ν είναι:

α) 1,2ˑ10⁵ N/m²,   β) 2,2ˑ10⁵ N/m², γ) 2,1ˑ10⁵ N/m²