Задание 8AC878: Молекулярная физика

1. Система отсчёта связана с сосудом, ось Ox направим вправо, Oy — вверх. На поршень действуют сила давления атмосферного воздуха p₀S вправо, сила упругости сжатой пружины Fупр вправо, сила давления запертого воздуха p₁S влево, сила тяжести mg вниз и реакция стенок N вверх. Трения между поршнем и стенками нет.
2. Первоначальное равновесие выражается проекциями:
p₀S + Fупр − p₁S = 0,
N − mg = 0.
Следовательно:
p₁ = p₀ + FупрS > p₀.
Подстановка физического условия «пружина сжата» означает Fупр > 0: давление запертого справа газа выше атмосферного. Числовые данные для вывода направления не требуются.
3. После удаления пробки воздух из правой части начинает выходить наружу. Давление справа уменьшается до атмосферного. При ещё сжатой пружине горизонтальная равнодействующая направлена вправо:
maₓ = p₀S + Fупр − pS > 0.
Поэтому поршень начинает двигаться вправо, а пружина распрямляется. Когда давление с обеих сторон сравнялось с p₀, положение равновесия соответствует нулевой силе упругости, то есть естественной длине пружины.
4. Проверка. Новое равновесное положение находится правее первоначального, поскольку пружина первоначально была короче своей естественной длины. Это не означает мгновенной остановки при первом достижении равновесия: без любого сопротивления возможны колебания; сопротивление воздуха приводит к их затуханию. Закон pV = const к правой части после открытия применять нельзя, поскольку масса воздуха в ней меняется.

Ответ: поршень начнёт смещаться вправо.