حل کامل پرسش های صفحه ۵۱ فیزیک دهم فنی (گام به گام تشریحی)

نیروی شناوری، نیروی خالص رو به بالا است که یک شاره (مایع یا گاز) به جسمی که در آن غوطه ور شده وارد می کند. برای درک علت رو به بالا بودن این نیرو باید به تغییرات فشار با عمق توجه کنیم. فشار در شاره ها با افزایش عمق افزایش می یابد. وقتی جسمی در شاره قرار می گیرد:

• سطح بالای جسم در عمق کمتری قرار دارد و فشار کمتری از شاره دریافت می کند
• سطح پایین جسم در عمق بیشتری قرار دارد و فشار بیشتری از شاره دریافت می کند
• این اختلاف فشار باعث ایجاد نیروی خالص رو به بالا می شود
• نیروی وارد از پایین (ناشی از فشار بیشتر) بزرگتر از نیروی وارد از بالا (ناشی از فشار کمتر) است

این پدیده با قانون ارشمیدس ارتباط مستقیم دارد. طبق این قانون، نیروی شناوری وارد بر یک جسم برابر با وزن شاره جابجا شده توسط آن جسم است. این اصل توضیح می دهد چرا کشتی های عظیم فلزی می توانند روی آب شناور بمانند در حالی که یک سکه کوچک در آب فرو می رود.

برای حل این سوال از معادله پیوستگی استفاده می کنیم: A₁V₁ = A₂V₂. این معادله بیان می کند که برای جریان پایدار شاره غیرقابل تراکم، حاصل ضرب مساحت سطح مقطع لوله (A) در تندی شاره (V) در هر نقطه ثابت است. به عبارت ساده تر، هر جا لوله باریک تر باشد تندی بیشتر و هر جا لوله گشادتر باشد تندی کمتر است.

بر اساس شکل لوله و معادله پیوستگی:

• سطح مقطع در قسمت A و E با یکدیگر برابر است: A_A = A_E
• بنابراین تندی در A و E نیز برابر است: V_A = V_E
• سطح مقطع در قسمت C بزرگتر از A و E است: A_C > A_A
• طبق معادله پیوستگی، تندی در C کمتر است: V_C < V_A

نتیجه نهایی: V_A = V_E > V_C

اصل برنولی بیان می کند که برای یک شاره در جریان (مایع یا گاز) در یک خط جریان افقی، هرچه تندی شاره افزایش یابد، فشار آن کاهش می یابد و بالعکس. به عبارت دیگر، بین سرعت و فشار شاره رابطه معکوس وجود دارد.

هنگامی که به درون نی می دمید، هوای بین دو نوار کاغذی با سرعت بالایی شروع به حرکت می کند. طبق اصل برنولی، افزایش سرعت هوای بین دو نوار منجر به کاهش فشار هوا در این فضای باریک می شود. در همین زمان، هوای خارج از نوارهای کاغذی همچنان با فشار جو طبیعی خود باقی مانده است. بنابراین، فشار هوای محیطی که از بیرون به نوارها وارد می شود بیشتر از فشار هوای بین دو نوار است. این اختلاف فشار باعث می شود نیرویی از سمت فشار بیشتر (بیرون) به سمت فشار کمتر (بین نوارها) وارد شود و در نتیجه نوارهای کاغذی به سمت یکدیگر جذب می شوند.

این پدیده دقیقا برعکس تصور عامیانه است. بسیاری فکر می کنند دمیدن باعث دور شدن نوارها می شود، اما در واقعیت به دلیل کاهش فشار ناشی از افزایش سرعت، نوارها به هم نزدیک می شوند.

کاربراتور یک قطعه مکانیکی در موتورهای بنزینی قدیمی است که وظیفه مخلوط کردن هوا و سوخت را با نسبت مناسب قبل از ورود به سیلندرهای موتور بر عهده دارد. عملکرد اصلی کاربراتور بر پایه اصل برنولی است.

1. ورود هوا و دریچه گاز: هوای محیط از ورودی کاربراتور به سمت موتور مکیده می شود. دریچه پروانه ای که به پدال گاز متصل است، میزان هوای ورودی را کنترل می کند.
2. اثر ونتوری (گلوگاه): در گلوگاه کاربراتور، مساحت سطح مقطع عبور هوا کاهش می یابد. طبق معادله پیوستگی، سرعت هوا به شدت افزایش می یابد.
3. کاربرد اصل برنولی: با افزایش سرعت هوا در گلوگاه، فشار آن به میزان قابل توجهی کمتر از فشار محیط می شود.
4. مکش سوخت: به دلیل کاهش فشار در گلوگاه، سوخت از طریق نازل (ژیگلور) به داخل جریان هوای پرسرعت مکش می شود.
5. مخلوط شدن و احتراق: سوخت مکیده شده با هوا مخلوط شده و مخلوط قابل اشتعال تشکیل می دهد که وارد سیلندرها می شود.

وقتی راننده پدال گاز را بیشتر فشار می دهد، دریچه پروانه ای بیشتر باز می شود و حجم بیشتری از هوا وارد کاربراتور می شود. با افزایش حجم هوای ورودی، جریان هوا در گلوگاه سرعت بیشتری پیدا می کند. افزایش سرعت هوا طبق اصل برنولی به معنای کاهش بیشتر فشار در این ناحیه است. کاهش فشار بیشتر، نیروی مکش سوخت از نازل را افزایش می دهد و سوخت بیشتری به داخل هوا مکیده می شود. این افزایش میزان مخلوط هوا و سوخت به سیلندرها می رسد و منجر به احتراق قوی تر و تولید توان بیشتر توسط موتور می شود. تولید توان بیشتر به معنای افزایش دور موتور و در نتیجه حرکت سریع تر خودرو است.