Задача 4: пузырек, дробинка и шарик находятся в жидкости

Школьник заметил, что сферический пузырёк воздуха диаметром d1 = 1 мм всплывает в жидкости плотностью ρж = 1 г/см3 со скоростью v1 = 0,5 см/с. Пузырёк диаметром d2 = 2 мм всплывает со скоростью v2 = 2 см/с, а сферическая металлическая дробинка такого же диаметра плотностью ρ = 5 г/см3 тонет со скоростью v3 = 8 см/с. С какой скоростью будет всплывать в этой жидкости пластмассовый шарик плотностью ρ = (2/3) г/см3 и диаметром d = 3 мм? Считайте, что характер зависимости сил сопротивления движению от скорости и диаметра шарика — степенной, и для всех указанных тел одинаков.



Решение:

При движении шарика в жидкости на него действуют сила тяжести Fm, направленная вниз, сила Архимеда FA, направленная вверх, и сила вязкого трения Fmp, зависящая, как это следует из условия задачи, от скорости и от диаметра шарика. Две первые силы являются объёмными. Это значит, что их разность пропорциональна разности ρ − ρж (ρ — плотность шарика) и объёму шарика, то есть кубу его диаметра d:
| Fm − FA | = A | ρ − ρж |d3.
Здесь A — коэффициент пропорциональности. Предположим, что сила вязкого трения зависит от диаметра шарика d и его скорости v следующим образом:
Fтр = B • dn • vm,
где B — коэффициент пропорциональности, n и m — неизвестные показатели степени. При движении с постоянной скоростью разность сил тяжести и Архимеда равна по величине силе вязкого трения. Тогда для пузырька диаметром d1 имеем:
жd13 = Bd1nv1m,
откуда:
v1 = m√(Aρжd13 − n).
B
Аналогично с учётом условия задачи для пузырька диаметром d2 получаем:
v1 = m√(Aρж(2d1)3 − n) = 4v1 = 4 • m√(Aρжd13 − n).
BB
откуда следует уравнение:
2(3 − n)/m = 22,   или    3 − n = 2m.
Далее, для дробинки диаметром d2, учитывая, что v3 = 4v2 и ρд = 5ρж, получаем:
v3 = m√(Aд − ρж)d23 − n) = m√(Aжd23 − n) = 4 • m√(Aρжd23 − n),
BBB
откуда находим, что m = 1. Зная m, определяем, что и n = 1. Значит, зависимость Fтр(d,v) имеет следующий вид:
Fтр = Bdv.
Теперь можно найти скорость u, с которой будет всплывать пластмассовый шарик. Учитывая, что его плотность равна (2/3)ρж , получаем:
u = Aж2ρж) • (3d1)2 = 3Aρжd12 = 3v1 = 1,5 см/с.
BBB


Далее: шарик падает в жидкости   [тема: задачи на движение с сопротивлением]