IPhO 1982 · Theory problem 3
Hot-air-balloon
Consider a hot-air balloon with fixed volume \(V_{\mathrm B} = 1.1\ \mathrm{m^3}\). The mass of the balloon-envelope, whose volume is to be neglected in comparison to \(V_{\mathrm B}\), is \(m_{\mathrm H} = 0.187\ \mathrm{kg}\).
The balloon shall be started, where the external air temperature is \(\vartheta_1 = 20\ ^\circ\mathrm C\) and the normal external air pressure is \(p_{\mathrm o} = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\). Under these conditions the density of air is \(\rho_1 = 1.2\ \mathrm{kg/m^3}\).
a) What temperature \(\vartheta_2\) must the warmed air inside the balloon have to make the balloon just float?
b) First the balloon is held fast to the ground and the internal air is heated to a steady-state temperature of \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\). The balloon is fastened with a rope.
Calculate the force on the rope.
c) Consider the balloon being tied up at the bottom (the density of the internal air stays constant). With a steady-state temperature \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\) of the internal air the balloon rises in an isothermal atmosphere of \(20\ ^\circ\mathrm C\) and a ground pressure of \(p_0 = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\). Which height \(h\) can be gained by the balloon under these conditions?
d) At the height \(h\) the balloon (question c)) is pulled out of its equilibrium position by \(10\ \mathrm m\) and then is released again.
Find out by qualitative reasoning what kind of motion it is going to perform!
Official English text of the problem.
Answers
- a) \(\boxed{\vartheta_2 \approx 68.4\ ^\circ\mathrm C}\), corresponding to \(T_2\approx341.5\ \mathrm K\).
- b) Rope tension: \(\boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}\). The balloon pulls upward on the rope.
- c) Equilibrium height above the starting point: \(\boxed{h\approx8.4\times10^2\ \mathrm m=0.84\ \mathrm{km}}\).
- d) Approximately simple harmonic vertical oscillations about \(h\), with amplitude \(10\ \mathrm m\) when air resistance is neglected. Air resistance damps the motion.
Solution
Treat air as an ideal gas with constant composition, \[ p=\rho R_{\mathrm s}T, \] where \(R_{\mathrm s}\) is its specific gas constant and \(T\) is absolute temperature. The relevant temperatures are \[ T_1=293.15\ \mathrm K,\qquad T_3=383.15\ \mathrm K. \]
In (a) and (b), the balloon is open at the bottom, so its internal pressure equals the surrounding pressure. We neglect pressure and density variations over the balloon’s dimensions. After sealing in (c), its enclosed air mass and prescribed volume remain constant.
Use \(g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}}\), treated as constant over the heights involved.
a) Temperature required to just float
By Archimedes’ principle, the upward buoyant force equals the weight of the displaced external air: \[ F_{\mathrm B}=\rho_1V_{\mathrm B}g. \] For neutral buoyancy, this balances the combined weight of the envelope and the enclosed air: \[ \rho_1V_{\mathrm B}g =\left(m_{\mathrm H}+\rho_2V_{\mathrm B}\right)g. \] Thus the required internal density is \[ \rho_2=\rho_1-\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} =1.2-\frac{0.187}{1.1} =1.03\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Since the internal and external pressures are equal, the ideal-gas law gives \[ \rho_2T_2=\rho_1T_1. \] Therefore \[ T_2=\frac{\rho_1T_1}{\rho_2} =\frac{1.2(293.15)}{1.03} =341.53\ \mathrm K, \] or \[ \boxed{\vartheta_2=341.53-273.15\approx68.4\ ^\circ\mathrm C}. \]
b) Force on the rope
At \(T_3=383.15\ \mathrm K\), the internal density is \[ \rho_3=\rho_1\frac{T_1}{T_3} =1.2\frac{293.15}{383.15} \approx0.91813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
The rope supplies the downward force needed to balance the excess of buoyancy over weight: \[ F_{\mathrm{rope}} =\rho_1V_{\mathrm B}g -\left(m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B}\right)g. \] Substituting, \[ F_{\mathrm{rope}} =\left[(1.2-0.91813)(1.1)-0.187\right](9.81), \] so \[ \boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}. \]
This is the tension: the rope pulls downward on the balloon, and the balloon pulls upward on the rope.
c) Equilibrium height in the isothermal atmosphere
Once the bottom is tied shut, the balloon’s total mass remains \[ M=m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B} =0.187+(0.91813)(1.1) \approx1.19694\ \mathrm{kg}. \]
To find how buoyancy changes with height, combine atmospheric hydrostatic equilibrium, \[ \frac{dp}{dz}=-\rho g, \] with the ideal-gas law at the constant external temperature \(T_1\): \[ \frac{\rho(z)}{p(z)}=\frac{\rho_1}{p_0}. \] Consequently, \[ \frac{dp}{p}=-\frac{\rho_1g}{p_0}\,dz. \] Integrating from ground level, where \(p=p_0\), gives \[ p(z)=p_0e^{-z/H}, \qquad \rho(z)=\rho_1e^{-z/H}, \] where the atmospheric scale height is \[ H=\frac{p_0}{\rho_1g} =\frac{1.013\times10^5}{(1.2)(9.81)} \approx8.605\times10^3\ \mathrm m. \]
At equilibrium, buoyancy equals the balloon’s constant weight: \[ \rho(h)V_{\mathrm B}g=Mg. \] The external density there must therefore be \[ \rho(h)=\frac{M}{V_{\mathrm B}} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} \approx1.08813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Using the exponential density profile, \[ \rho_1e^{-h/H} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}}, \] and hence \[ h=H\ln\!\left( \frac{\rho_1}{\rho_3+m_{\mathrm H}/V_{\mathrm B}} \right). \] Numerically, \[ h=(8605.16) \ln\!\left(\frac{1.2}{1.08813}\right) \approx842\ \mathrm m. \] Thus \[ \boxed{h\approx0.84\ \mathrm{km}}. \]
This is the equilibrium height identified in part (d). A freely rising balloon can pass through it because of its inertia.
d) Motion after displacement
The balloon’s weight and volume remain constant, whereas external air density decreases with height.
- If displaced upward, it encounters less dense air. Buoyancy becomes smaller than its weight, so the resultant force is downward.
- If displaced downward, it encounters denser air. Buoyancy becomes greater than its weight, so the resultant force is upward.
The force therefore restores the balloon toward \(h\). On reaching \(h\), its inertia carries it through equilibrium, leading to oscillation.
The motion is approximately harmonic because the displacement is small compared with the atmospheric scale height. To see this, let \(x=z-h\). Since \(\rho(h)V_{\mathrm B}=M\), the upward resultant force is \[ F(x)=Mg\left(e^{-x/H}-1\right). \] Here \[ \frac{|x|}{H}\leq\frac{10}{8605}\approx1.2\times10^{-3}\ll1, \] so \[ F(x)\approx-\frac{Mg}{H}x. \] This is a restoring force proportional to displacement.
Thus, neglecting air resistance, the balloon performs approximately simple harmonic vertical oscillations, initially of amplitude \(10\ \mathrm m\). Air resistance dissipates energy and damps the motion, eventually bringing the balloon to rest at its equilibrium height.
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1982 · Theorieaufgabe 3
Heißluftballon
Betrachtet wird ein Heißluftballon mit einem festen Volumen von \(V_{\mathrm B} = 1.1\ \mathrm{m^3}\). Die Masse der Ballonhülle, deren Volumen gegenüber \(V_{\mathrm B}\) zu vernachlässigen ist, beträgt \(m_{\mathrm H} = 0.187\ \mathrm{kg}\).
Der Ballon soll an einem Ort starten, an dem die Außenlufttemperatur \(\vartheta_1 = 20\ ^\circ\mathrm C\) und der normale Außenluftdruck \(p_{\mathrm o} = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\) betragen. Unter diesen Bedingungen beträgt die Luftdichte \(\rho_1 = 1.2\ \mathrm{kg/m^3}\).
a) Welche Temperatur \(\vartheta_2\) muss die erwärmte Luft im Inneren des Ballons haben, damit der Ballon gerade schwebt?
b) Zunächst wird der Ballon am Boden festgehalten und die Luft in seinem Inneren auf eine stationäre Temperatur von \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\) erwärmt. Der Ballon ist mit einem Seil befestigt.
Berechnen Sie die Kraft auf das Seil.
c) Nun wird der Ballon unten zugebunden (die Dichte der Luft im Inneren bleibt konstant). Bei einer stationären Temperatur der Innenluft von \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\) steigt der Ballon in einer isothermen Atmosphäre mit einer Temperatur von \(20\ ^\circ\mathrm C\) und einem Luftdruck am Boden von \(p_0 = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\) auf. Welche Höhe \(h\) kann der Ballon unter diesen Bedingungen erreichen?
d) In der Höhe \(h\) wird der Ballon (Teilaufgabe c)) um \(10\ \mathrm m\) aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt und anschließend wieder losgelassen.
Bestimmen Sie durch qualitative Überlegungen, welche Art von Bewegung er ausführen wird!
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- a) \(\boxed{\vartheta_2 \approx 68.4\ ^\circ\mathrm C}\), entsprechend \(T_2\approx341.5\ \mathrm K\).
- b) Seilspannung: \(\boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}\). Der Ballon zieht das Seil nach oben.
- c) Gleichgewichtshöhe über dem Startpunkt: \(\boxed{h\approx8.4\times10^2\ \mathrm m=0.84\ \mathrm{km}}\).
- d) Näherungsweise harmonische vertikale Schwingungen um \(h\) mit einer Amplitude von \(10\ \mathrm m\), wenn der Luftwiderstand vernachlässigt wird. Der Luftwiderstand dämpft die Bewegung.
Lösung
Wir behandeln Luft als ideales Gas mit konstanter Zusammensetzung, \[ p=\rho R_{\mathrm s}T, \] wobei \(R_{\mathrm s}\) ihre spezifische Gaskonstante und \(T\) die absolute Temperatur ist. Die relevanten Temperaturen sind \[ T_1=293.15\ \mathrm K,\qquad T_3=383.15\ \mathrm K. \]
In (a) und (b) ist der Ballon unten offen, sodass sein Innendruck gleich dem Umgebungsdruck ist. Wir vernachlässigen Druck- und Dichteänderungen über die Abmessungen des Ballons. Nach dem Verschließen in (c) bleiben die eingeschlossene Luftmasse und das vorgegebene Volumen konstant.
Wir verwenden \(g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}}\) und betrachten diesen Wert über den betrachteten Höhenbereich als konstant.
a) Zum Schweben erforderliche Temperatur
Nach dem archimedischen Prinzip ist die nach oben gerichtete Auftriebskraft gleich der Gewichtskraft der verdrängten Außenluft: \[ F_{\mathrm B}=\rho_1V_{\mathrm B}g. \] Im Schwebezustand gleicht sie die gesamte Gewichtskraft der Hülle und der eingeschlossenen Luft aus: \[ \rho_1V_{\mathrm B}g =\left(m_{\mathrm H}+\rho_2V_{\mathrm B}\right)g. \] Die erforderliche Dichte der Innenluft beträgt somit \[ \rho_2=\rho_1-\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} =1.2-\frac{0.187}{1.1} =1.03\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Da Innen- und Außendruck gleich sind, folgt aus der idealen Gasgleichung \[ \rho_2T_2=\rho_1T_1. \] Daher gilt \[ T_2=\frac{\rho_1T_1}{\rho_2} =\frac{1.2(293.15)}{1.03} =341.53\ \mathrm K, \] beziehungsweise \[ \boxed{\vartheta_2=341.53-273.15\approx68.4\ ^\circ\mathrm C}. \]
b) Kraft auf das Seil
Bei \(T_3=383.15\ \mathrm K\) beträgt die Dichte der Innenluft \[ \rho_3=\rho_1\frac{T_1}{T_3} =1.2\frac{293.15}{383.15} \approx0.91813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Das Seil übt die nach unten gerichtete Kraft aus, die erforderlich ist, um den Überschuss der Auftriebskraft gegenüber der Gewichtskraft auszugleichen: \[ F_{\mathrm{rope}} =\rho_1V_{\mathrm B}g -\left(m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B}\right)g. \] Durch Einsetzen ergibt sich \[ F_{\mathrm{rope}} =\left[(1.2-0.91813)(1.1)-0.187\right](9.81), \] also \[ \boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}. \]
Dies ist die Seilspannung: Das Seil zieht den Ballon nach unten, und der Ballon zieht das Seil nach oben.
c) Gleichgewichtshöhe in der isothermen Atmosphäre
Sobald die untere Öffnung zugebunden ist, bleibt die Gesamtmasse des Ballons konstant bei \[ M=m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B} =0.187+(0.91813)(1.1) \approx1.19694\ \mathrm{kg}. \]
Um zu bestimmen, wie sich die Auftriebskraft mit der Höhe ändert, kombinieren wir das hydrostatische Gleichgewicht der Atmosphäre, \[ \frac{dp}{dz}=-\rho g, \] mit der idealen Gasgleichung bei der konstanten Außentemperatur \(T_1\): \[ \frac{\rho(z)}{p(z)}=\frac{\rho_1}{p_0}. \] Daraus folgt \[ \frac{dp}{p}=-\frac{\rho_1g}{p_0}\,dz. \] Die Integration vom Boden aus, wo \(p=p_0\) gilt, liefert \[ p(z)=p_0e^{-z/H}, \qquad \rho(z)=\rho_1e^{-z/H}, \] wobei die atmosphärische Skalenhöhe gegeben ist durch \[ H=\frac{p_0}{\rho_1g} =\frac{1.013\times10^5}{(1.2)(9.81)} \approx8.605\times10^3\ \mathrm m. \]
Im Gleichgewicht ist die Auftriebskraft gleich der konstanten Gewichtskraft des Ballons: \[ \rho(h)V_{\mathrm B}g=Mg. \] Die Dichte der Außenluft muss dort daher betragen: \[ \rho(h)=\frac{M}{V_{\mathrm B}} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} \approx1.08813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Mit dem exponentiellen Dichteprofil ergibt sich \[ \rho_1e^{-h/H} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}}, \] und somit \[ h=H\ln\!\left( \frac{\rho_1}{\rho_3+m_{\mathrm H}/V_{\mathrm B}} \right). \] Numerisch ergibt sich \[ h=(8605.16) \ln\!\left(\frac{1.2}{1.08813}\right) \approx842\ \mathrm m. \] Damit gilt \[ \boxed{h\approx0.84\ \mathrm{km}}. \]
Dies ist die in Teil (d) genannte Gleichgewichtshöhe. Ein frei aufsteigender Ballon kann sie aufgrund seiner Trägheit überschreiten.
d) Bewegung nach der Auslenkung
Die Gewichtskraft und das Volumen des Ballons bleiben konstant, während die Dichte der Außenluft mit der Höhe abnimmt.
- Wird er nach oben ausgelenkt, gelangt er in Luft geringerer Dichte. Die Auftriebskraft wird kleiner als seine Gewichtskraft, sodass die resultierende Kraft nach unten gerichtet ist.
- Wird er nach unten ausgelenkt, gelangt er in Luft höherer Dichte. Die Auftriebskraft wird größer als seine Gewichtskraft, sodass die resultierende Kraft nach oben gerichtet ist.
Die Kraft treibt den Ballon somit zur Höhe \(h\) zurück. Beim Erreichen von \(h\) bewegt er sich aufgrund seiner Trägheit über die Gleichgewichtslage hinaus, wodurch eine Schwingung entsteht.
Die Bewegung ist näherungsweise harmonisch, weil die Auslenkung klein gegenüber der atmosphärischen Skalenhöhe ist. Um dies zu zeigen, setzen wir \(x=z-h\). Da \(\rho(h)V_{\mathrm B}=M\) gilt, ist die nach oben gerichtete resultierende Kraft \[ F(x)=Mg\left(e^{-x/H}-1\right). \] Hier gilt \[ \frac{|x|}{H}\leq\frac{10}{8605}\approx1.2\times10^{-3}\ll1, \] also \[ F(x)\approx-\frac{Mg}{H}x. \] Dies ist eine zur Auslenkung proportionale Rückstellkraft.
Unter Vernachlässigung des Luftwiderstands führt der Ballon somit näherungsweise harmonische vertikale Schwingungen aus, deren Amplitude anfangs \(10\ \mathrm m\) beträgt. Der Luftwiderstand dissipiert Energie und dämpft die Bewegung, bis der Ballon schließlich auf seiner Gleichgewichtshöhe zur Ruhe kommt.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1982 · Teori sorusu 3
Sıcak hava balonu
Hacmi sabit ve \(V_{\mathrm B} = 1.1\ \mathrm{m^3}\) olan bir sıcak hava balonunu ele alalım. Hacmi \(V_{\mathrm B}\) ile karşılaştırıldığında ihmal edilecek olan balon zarfının kütlesi \(m_{\mathrm H} = 0.187\ \mathrm{kg}\)'dır.
Balon, dış hava sıcaklığının \(\vartheta_1 = 20\ ^\circ\mathrm C\) ve normal dış hava basıncının \(p_{\mathrm o} = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\) olduğu bir yerde havalandırılacaktır. Bu koşullar altında havanın yoğunluğu \(\rho_1 = 1.2\ \mathrm{kg/m^3}\)'tür.
a) Balonun tam olarak havada asılı kalabilmesi için içindeki ısıtılmış havanın sıcaklığı \(\vartheta_2\) ne olmalıdır?
b) Önce balon yere sabitlenir ve içindeki hava, kararlı durum sıcaklığı \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\) olacak şekilde ısıtılır. Balon bir iple bağlı tutulmaktadır.
İpe etki eden kuvveti hesaplayınız.
c) Balonun alt kısmının bağlanarak kapatıldığını düşününüz (içindeki havanın yoğunluğu sabit kalır). İçindeki havanın kararlı durum sıcaklığı \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\) olan balon, sıcaklığı \(20\ ^\circ\mathrm C\) ve yer seviyesindeki basıncı \(p_0 = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\) olan izotermal bir atmosferde yükselir. Bu koşullar altında balon hangi \(h\) yüksekliğine ulaşabilir?
d) \(h\) yüksekliğindeki balon (c) sorusu), denge konumundan \(10\ \mathrm m\) uzaklaştırılır ve sonra yeniden serbest bırakılır.
Nitel akıl yürütmeyle balonun ne tür bir hareket yapacağını belirleyiniz!
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- a) \(\boxed{\vartheta_2 \approx 68.4\ ^\circ\mathrm C}\); bu, \(T_2\approx341.5\ \mathrm K\) sıcaklığına karşılık gelir.
- b) İpteki gerilme kuvveti: \(\boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}\). Balon ipi yukarı doğru çeker.
- c) Başlangıç noktasına göre denge yüksekliği: \(\boxed{h\approx8.4\times10^2\ \mathrm m=0.84\ \mathrm{km}}\).
- d) Hava direnci ihmal edildiğinde, \(h\) çevresinde genliği \(10\ \mathrm m\) olan yaklaşık basit harmonik düşey salınımlar. Hava direnci hareketi sönümler.
Çözüm
Havayı, bileşimi sabit bir ideal gaz olarak ele alalım: \[ p=\rho R_{\mathrm s}T, \] burada \(R_{\mathrm s}\) havanın özgül gaz sabiti, \(T\) ise mutlak sıcaklıktır. İlgili sıcaklıklar \[ T_1=293.15\ \mathrm K,\qquad T_3=383.15\ \mathrm K. \] şeklindedir.
(a) ve (b)'de balonun alt kısmı açıktır; dolayısıyla iç basıncı çevresindeki basınca eşittir. Balonun boyutları boyunca basınç ve yoğunluk değişimlerini ihmal ediyoruz. (c)'de balon kapatıldıktan sonra içindeki havanın kütlesi ve belirtilen hacmi sabit kalır.
İlgili yükseklikler boyunca sabit kabul edilen \(g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}}\) değerini kullanınız.
a) Tam olarak havada asılı kalmak için gereken sıcaklık
Arşimet ilkesine göre, yukarı yönlü kaldırma kuvveti, yer değiştirilen dış havanın ağırlığına eşittir: \[ F_{\mathrm B}=\rho_1V_{\mathrm B}g. \] Balonun havada asılı kalması için bu kuvvet, zarfın ve içerideki havanın toplam ağırlığını dengelemelidir: \[ \rho_1V_{\mathrm B}g =\left(m_{\mathrm H}+\rho_2V_{\mathrm B}\right)g. \] Dolayısıyla içerideki havanın gerekli yoğunluğu \[ \rho_2=\rho_1-\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} =1.2-\frac{0.187}{1.1} =1.03\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \] olur.
İç ve dış basınçlar eşit olduğundan ideal gaz yasası \[ \rho_2T_2=\rho_1T_1. \] bağıntısını verir. Böylece \[ T_2=\frac{\rho_1T_1}{\rho_2} =\frac{1.2(293.15)}{1.03} =341.53\ \mathrm K, \] ya da \[ \boxed{\vartheta_2=341.53-273.15\approx68.4\ ^\circ\mathrm C}. \] elde edilir.
b) İpe etki eden kuvvet
\(T_3=383.15\ \mathrm K\) sıcaklığında içerideki havanın yoğunluğu \[ \rho_3=\rho_1\frac{T_1}{T_3} =1.2\frac{293.15}{383.15} \approx0.91813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \] olur.
İp, kaldırma kuvvetinin ağırlığı aşan kısmını dengelemek için gereken aşağı yönlü kuvveti sağlar: \[ F_{\mathrm{rope}} =\rho_1V_{\mathrm B}g -\left(m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B}\right)g. \] Değerler yerine konulduğunda \[ F_{\mathrm{rope}} =\left[(1.2-0.91813)(1.1)-0.187\right](9.81), \] dolayısıyla \[ \boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}. \] bulunur.
Bu, gerilme kuvvetidir: ip balonu aşağı doğru, balon ise ipi yukarı doğru çeker.
c) İzotermal atmosferde denge yüksekliği
Alt kısmı bağlanarak kapatıldıktan sonra balonun toplam kütlesi \[ M=m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B} =0.187+(0.91813)(1.1) \approx1.19694\ \mathrm{kg}. \] olarak kalır.
Kaldırma kuvvetinin yükseklikle nasıl değiştiğini bulmak için atmosferin hidrostatik denge denklemini, \[ \frac{dp}{dz}=-\rho g, \] sabit dış sıcaklık \(T_1\) için ideal gaz yasasıyla birleştirelim: \[ \frac{\rho(z)}{p(z)}=\frac{\rho_1}{p_0}. \] Bunun sonucunda \[ \frac{dp}{p}=-\frac{\rho_1g}{p_0}\,dz. \] elde edilir. \(p=p_0\) olan yer seviyesinden başlayarak integral alındığında \[ p(z)=p_0e^{-z/H}, \qquad \rho(z)=\rho_1e^{-z/H}, \] bulunur; burada atmosferin ölçek yüksekliği \[ H=\frac{p_0}{\rho_1g} =\frac{1.013\times10^5}{(1.2)(9.81)} \approx8.605\times10^3\ \mathrm m. \] olarak verilir.
Dengede kaldırma kuvveti, balonun sabit ağırlığına eşittir: \[ \rho(h)V_{\mathrm B}g=Mg. \] Dolayısıyla bu yükseklikte dış havanın yoğunluğu \[ \rho(h)=\frac{M}{V_{\mathrm B}} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} \approx1.08813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \] olmalıdır.
Üstel yoğunluk profili kullanılarak \[ \rho_1e^{-h/H} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}}, \] ve buradan \[ h=H\ln\!\left( \frac{\rho_1}{\rho_3+m_{\mathrm H}/V_{\mathrm B}} \right). \] elde edilir. Sayısal olarak \[ h=(8605.16) \ln\!\left(\frac{1.2}{1.08813}\right) \approx842\ \mathrm m. \] bulunur. Böylece \[ \boxed{h\approx0.84\ \mathrm{km}}. \]
Bu, (d) kısmında belirtilen denge yüksekliğidir. Serbestçe yükselen bir balon, eylemsizliği nedeniyle bu yüksekliği geçebilir.
d) Yer değiştirme sonrasındaki hareket
Balonun ağırlığı ve hacmi sabit kalırken dış havanın yoğunluğu yükseklikle azalır.
- Yukarı doğru yer değiştirdiğinde daha az yoğun havayla karşılaşır. Kaldırma kuvveti ağırlığından küçük olur; dolayısıyla bileşke kuvvet aşağı yönlüdür.
- Aşağı doğru yer değiştirdiğinde daha yoğun havayla karşılaşır. Kaldırma kuvveti ağırlığından büyük olur; dolayısıyla bileşke kuvvet yukarı yönlüdür.
Bu nedenle kuvvet, balonu \(h\) yüksekliğine doğru geri çağırır. Balon \(h\) yüksekliğine ulaştığında eylemsizliği nedeniyle denge konumunu geçer ve böylece salınım oluşur.
Yer değiştirme, atmosferin ölçek yüksekliğine göre küçük olduğundan hareket yaklaşık harmoniktir. Bunu görmek için \(x=z-h\) olsun. \(\rho(h)V_{\mathrm B}=M\) olduğundan yukarı yönlü bileşke kuvvet \[ F(x)=Mg\left(e^{-x/H}-1\right). \] şeklindedir. Burada \[ \frac{|x|}{H}\leq\frac{10}{8605}\approx1.2\times10^{-3}\ll1, \] olduğundan \[ F(x)\approx-\frac{Mg}{H}x. \] elde edilir. Bu, yer değiştirmeyle orantılı bir geri çağırıcı kuvvettir.
Dolayısıyla hava direnci ihmal edildiğinde balon, başlangıçta genliği \(10\ \mathrm m\) olan yaklaşık basit harmonik düşey salınımlar yapar. Hava direnci enerjiyi dağıtarak hareketi sönümler ve sonunda balonun denge yüksekliğinde durmasını sağlar.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1982 · Problema teórico 3
Globo aerostático de aire caliente
Considérese un globo aerostático de aire caliente de volumen fijo \(V_{\mathrm B} = 1.1\ \mathrm{m^3}\). La masa de la envoltura del globo, cuyo volumen se considera despreciable en comparación con \(V_{\mathrm B}\), es \(m_{\mathrm H} = 0.187\ \mathrm{kg}\).
El globo se lanzará en un lugar donde la temperatura del aire exterior es \(\vartheta_1 = 20\ ^\circ\mathrm C\) y la presión normal del aire exterior es \(p_{\mathrm o} = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\). En estas condiciones, la densidad del aire es \(\rho_1 = 1.2\ \mathrm{kg/m^3}\).
a) ¿Qué temperatura \(\vartheta_2\) debe tener el aire calentado en el interior del globo para que este se mantenga justo en suspensión?
b) Primero se sujeta el globo al suelo y se calienta el aire de su interior hasta alcanzar una temperatura estacionaria de \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\). El globo está sujeto mediante una cuerda.
Calcule la fuerza sobre la cuerda.
c) Considérese que se cierra la abertura inferior del globo atándola (la densidad del aire interior permanece constante). Con una temperatura estacionaria \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\) del aire interior, el globo asciende en una atmósfera isoterma a \(20\ ^\circ\mathrm C\) y con una presión a nivel del suelo de \(p_0 = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\). ¿Qué altura \(h\) puede alcanzar el globo en estas condiciones?
d) A la altura \(h\), se desplaza el globo (apartado c)) \(10\ \mathrm m\) de su posición de equilibrio y después se suelta de nuevo.
¡Determine mediante un razonamiento cualitativo qué tipo de movimiento realizará!
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- a) \(\boxed{\vartheta_2 \approx 68.4\ ^\circ\mathrm C}\), que corresponde a \(T_2\approx341.5\ \mathrm K\).
- b) Tensión de la cuerda: \(\boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}\). El globo tira de la cuerda hacia arriba.
- c) Altura de equilibrio sobre el punto de partida: \(\boxed{h\approx8.4\times10^2\ \mathrm m=0.84\ \mathrm{km}}\).
- d) Oscilaciones verticales aproximadamente armónicas simples en torno a \(h\), con una amplitud de \(10\ \mathrm m\) si se desprecia la resistencia del aire. La resistencia del aire amortigua el movimiento.
Solución
Se trata el aire como un gas ideal de composición constante, \[ p=\rho R_{\mathrm s}T, \] donde \(R_{\mathrm s}\) es su constante específica del gas y \(T\) es la temperatura absoluta. Las temperaturas pertinentes son \[ T_1=293.15\ \mathrm K,\qquad T_3=383.15\ \mathrm K. \]
En (a) y (b), el globo está abierto por abajo, por lo que su presión interior es igual a la presión del entorno. Se desprecian las variaciones de presión y densidad a lo largo de las dimensiones del globo. Tras cerrarlo herméticamente en (c), la masa de aire encerrada y el volumen especificado permanecen constantes.
Se utiliza \(g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}}\), que se considera constante en el intervalo de alturas estudiado.
a) Temperatura necesaria para mantenerse justo en suspensión
Según el principio de Arquímedes, el empuje hacia arriba es igual al peso del aire exterior desalojado: \[ F_{\mathrm B}=\rho_1V_{\mathrm B}g. \] Para que haya flotabilidad neutra, este empuje debe equilibrar el peso conjunto de la envoltura y del aire encerrado: \[ \rho_1V_{\mathrm B}g =\left(m_{\mathrm H}+\rho_2V_{\mathrm B}\right)g. \] Por tanto, la densidad interior necesaria es \[ \rho_2=\rho_1-\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} =1.2-\frac{0.187}{1.1} =1.03\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Como las presiones interior y exterior son iguales, la ley de los gases ideales da \[ \rho_2T_2=\rho_1T_1. \] Por consiguiente, \[ T_2=\frac{\rho_1T_1}{\rho_2} =\frac{1.2(293.15)}{1.03} =341.53\ \mathrm K, \] o bien \[ \boxed{\vartheta_2=341.53-273.15\approx68.4\ ^\circ\mathrm C}. \]
b) Fuerza sobre la cuerda
A \(T_3=383.15\ \mathrm K\), la densidad interior es \[ \rho_3=\rho_1\frac{T_1}{T_3} =1.2\frac{293.15}{383.15} \approx0.91813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
La cuerda ejerce la fuerza hacia abajo necesaria para equilibrar el exceso del empuje sobre el peso: \[ F_{\mathrm{rope}} =\rho_1V_{\mathrm B}g -\left(m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B}\right)g. \] Sustituyendo, \[ F_{\mathrm{rope}} =\left[(1.2-0.91813)(1.1)-0.187\right](9.81), \] de modo que \[ \boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}. \]
Esta es la tensión: la cuerda tira del globo hacia abajo y el globo tira de la cuerda hacia arriba.
c) Altura de equilibrio en la atmósfera isoterma
Una vez que se cierra la abertura inferior atándola, la masa total del globo permanece igual a \[ M=m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B} =0.187+(0.91813)(1.1) \approx1.19694\ \mathrm{kg}. \]
Para determinar cómo varía el empuje con la altura, se combina el equilibrio hidrostático de la atmósfera, \[ \frac{dp}{dz}=-\rho g, \] con la ley de los gases ideales a la temperatura exterior constante \(T_1\): \[ \frac{\rho(z)}{p(z)}=\frac{\rho_1}{p_0}. \] En consecuencia, \[ \frac{dp}{p}=-\frac{\rho_1g}{p_0}\,dz. \] Integrando desde el nivel del suelo, donde \(p=p_0\), se obtiene \[ p(z)=p_0e^{-z/H}, \qquad \rho(z)=\rho_1e^{-z/H}, \] donde la altura de escala atmosférica es \[ H=\frac{p_0}{\rho_1g} =\frac{1.013\times10^5}{(1.2)(9.81)} \approx8.605\times10^3\ \mathrm m. \]
En el equilibrio, el empuje es igual al peso constante del globo: \[ \rho(h)V_{\mathrm B}g=Mg. \] Por tanto, la densidad exterior a esa altura debe ser \[ \rho(h)=\frac{M}{V_{\mathrm B}} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} \approx1.08813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Utilizando el perfil exponencial de densidad, \[ \rho_1e^{-h/H} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}}, \] y, por tanto, \[ h=H\ln\!\left( \frac{\rho_1}{\rho_3+m_{\mathrm H}/V_{\mathrm B}} \right). \] Numéricamente, \[ h=(8605.16) \ln\!\left(\frac{1.2}{1.08813}\right) \approx842\ \mathrm m. \] Así, \[ \boxed{h\approx0.84\ \mathrm{km}}. \]
Esta es la altura de equilibrio indicada en el apartado (d). Un globo que asciende libremente puede sobrepasarla debido a su inercia.
d) Movimiento después del desplazamiento
El peso y el volumen del globo permanecen constantes, mientras que la densidad del aire exterior disminuye con la altura.
- Si se desplaza hacia arriba, encuentra aire menos denso. El empuje pasa a ser menor que su peso, por lo que la fuerza resultante apunta hacia abajo.
- Si se desplaza hacia abajo, encuentra aire más denso. El empuje pasa a ser mayor que su peso, por lo que la fuerza resultante apunta hacia arriba.
Por tanto, la fuerza tiende a devolver el globo a \(h\). Al llegar a \(h\), su inercia lo lleva más allá del equilibrio, dando lugar a una oscilación.
El movimiento es aproximadamente armónico porque el desplazamiento es pequeño en comparación con la altura de escala atmosférica. Para comprobarlo, sea \(x=z-h\). Puesto que \(\rho(h)V_{\mathrm B}=M\), la fuerza resultante en el sentido ascendente es \[ F(x)=Mg\left(e^{-x/H}-1\right). \] En este caso, \[ \frac{|x|}{H}\leq\frac{10}{8605}\approx1.2\times10^{-3}\ll1, \] por lo que \[ F(x)\approx-\frac{Mg}{H}x. \] Esta es una fuerza restauradora proporcional al desplazamiento.
Así, despreciando la resistencia del aire, el globo realiza oscilaciones verticales aproximadamente armónicas simples, inicialmente con una amplitud de \(10\ \mathrm m\). La resistencia del aire disipa energía y amortigua el movimiento, hasta que finalmente el globo queda en reposo a su altura de equilibrio.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1982 · 理论题 3
热气球
考虑一个体积固定为 \(V_{\mathrm B} = 1.1\ \mathrm{m^3}\) 的热气球。气球囊皮的质量为 \(m_{\mathrm H} = 0.187\ \mathrm{kg}\),其体积与 \(V_{\mathrm B}\) 相比可忽略不计。
气球将在外界空气温度为 \(\vartheta_1 = 20\ ^\circ\mathrm C\)、外界气压为标准大气压 \(p_{\mathrm o} = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\) 的地点升空。在这些条件下,空气密度为 \(\rho_1 = 1.2\ \mathrm{kg/m^3}\)。
a) 要使气球恰好悬浮,气球内被加热的空气必须达到什么温度 \(\vartheta_2\)?
b) 首先将气球固定在地面上,并将内部空气加热至稳态温度 \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\)。气球用一根绳子系住。
计算绳子所受的力。
c) 设气球底部已扎紧封闭(内部空气密度保持不变)。当内部空气的稳态温度为 \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\) 时,气球在温度为 \(20\ ^\circ\mathrm C\)、地面气压为 \(p_0 = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\) 的等温大气中上升。在这些条件下,气球能达到多大的高度 \(h\)?
d) 在高度 \(h\) 处,将气球(问题 c) 中的气球)从平衡位置拉开 \(10\ \mathrm m\),然后再次释放。
通过定性推理,判断它将做什么样的运动!
题目译自官方英文原文。
答案
- a) \(\boxed{\vartheta_2 \approx 68.4\ ^\circ\mathrm C}\),对应于 \(T_2\approx341.5\ \mathrm K\)。
- b) 绳子的张力:\(\boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}\)。气球向上拉绳子。
- c) 相对于出发点的平衡高度:\(\boxed{h\approx8.4\times10^2\ \mathrm m=0.84\ \mathrm{km}}\)。
- d) 围绕 \(h\) 做近似简谐的竖直振动,忽略空气阻力时振幅为 \(10\ \mathrm m\)。空气阻力使振动衰减。
解答
将空气视为组成不变的理想气体, \[ p=\rho R_{\mathrm s}T, \] 其中 \(R_{\mathrm s}\) 是空气的比气体常量,\(T\) 是热力学温度。相关温度为 \[ T_1=293.15\ \mathrm K,\qquad T_3=383.15\ \mathrm K. \]
在 (a) 和 (b) 中,气球底部敞开,因此内部压强等于周围空气的压强。忽略气球尺寸范围内压强和密度的变化。在 (c) 中封闭气球后,其内部空气的质量及给定的体积均保持不变。
取 \(g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}}\),并认为在所涉及的高度范围内它保持不变。
a) 恰好悬浮所需的温度
根据阿基米德原理,向上的浮力等于排开的外界空气的重力: \[ F_{\mathrm B}=\rho_1V_{\mathrm B}g. \] 当气球恰好悬浮时,浮力与囊皮及内部空气的总重力平衡: \[ \rho_1V_{\mathrm B}g =\left(m_{\mathrm H}+\rho_2V_{\mathrm B}\right)g. \] 因此,所需的内部空气密度为 \[ \rho_2=\rho_1-\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} =1.2-\frac{0.187}{1.1} =1.03\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
由于内外压强相等,由理想气体状态方程可得 \[ \rho_2T_2=\rho_1T_1. \] 因此 \[ T_2=\frac{\rho_1T_1}{\rho_2} =\frac{1.2(293.15)}{1.03} =341.53\ \mathrm K, \] 即 \[ \boxed{\vartheta_2=341.53-273.15\approx68.4\ ^\circ\mathrm C}. \]
b) 绳子所受的力
在 \(T_3=383.15\ \mathrm K\) 时,内部空气密度为 \[ \rho_3=\rho_1\frac{T_1}{T_3} =1.2\frac{293.15}{383.15} \approx0.91813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
绳子提供向下的拉力,以平衡浮力超出重力的部分: \[ F_{\mathrm{rope}} =\rho_1V_{\mathrm B}g -\left(m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B}\right)g. \] 代入数值, \[ F_{\mathrm{rope}} =\left[(1.2-0.91813)(1.1)-0.187\right](9.81), \] 所以 \[ \boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}. \]
这就是绳子的张力:绳子向下拉气球,气球则向上拉绳子。
c) 等温大气中的平衡高度
底部扎紧封闭后,气球的总质量保持为 \[ M=m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B} =0.187+(0.91813)(1.1) \approx1.19694\ \mathrm{kg}. \]
为求出浮力如何随高度变化,将大气的流体静力学平衡方程 \[ \frac{dp}{dz}=-\rho g, \] 与外界温度恒为 \(T_1\) 时的理想气体状态方程相结合: \[ \frac{\rho(z)}{p(z)}=\frac{\rho_1}{p_0}. \] 于是, \[ \frac{dp}{p}=-\frac{\rho_1g}{p_0}\,dz. \] 从地面处(此处 \(p=p_0\))开始积分,得 \[ p(z)=p_0e^{-z/H}, \qquad \rho(z)=\rho_1e^{-z/H}, \] 其中大气标高为 \[ H=\frac{p_0}{\rho_1g} =\frac{1.013\times10^5}{(1.2)(9.81)} \approx8.605\times10^3\ \mathrm m. \]
平衡时,浮力等于气球恒定的重力: \[ \rho(h)V_{\mathrm B}g=Mg. \] 因此,该处的外界空气密度必须为 \[ \rho(h)=\frac{M}{V_{\mathrm B}} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} \approx1.08813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
利用密度随高度按指数变化的关系, \[ \rho_1e^{-h/H} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}}, \] 从而 \[ h=H\ln\!\left( \frac{\rho_1}{\rho_3+m_{\mathrm H}/V_{\mathrm B}} \right). \] 代入数值, \[ h=(8605.16) \ln\!\left(\frac{1.2}{1.08813}\right) \approx842\ \mathrm m. \] 因此 \[ \boxed{h\approx0.84\ \mathrm{km}}. \]
这就是 (d) 部分所指的平衡高度。自由上升的气球可能因惯性而越过这一高度。
d) 偏离平衡位置后的运动
气球的重力和体积保持不变,而外界空气密度随高度增加而减小。
- 如果气球向上偏离平衡位置,它周围的空气密度就会减小。浮力变得小于重力,因此合力向下。
- 如果气球向下偏离平衡位置,它周围的空气密度就会增大。浮力变得大于重力,因此合力向上。
因此,这个力使气球趋向于回到高度 \(h\)。到达 \(h\) 时,气球因惯性而越过平衡位置,从而产生振动。
由于位移与大气标高相比很小,这种运动近似为简谐运动。为说明这一点,令 \(x=z-h\)。由于 \(\rho(h)V_{\mathrm B}=M\),以向上为正方向的合力为 \[ F(x)=Mg\left(e^{-x/H}-1\right). \] 这里 \[ \frac{|x|}{H}\leq\frac{10}{8605}\approx1.2\times10^{-3}\ll1, \] 所以 \[ F(x)\approx-\frac{Mg}{H}x. \] 这是一个与位移成正比的回复力。
因此,忽略空气阻力时,气球做近似简谐的竖直振动,初始振幅为 \(10\ \mathrm m\)。空气阻力耗散能量,使振动衰减,最终使气球静止在平衡高度处。
解答已与官方解答核对。
IPhO 1982 · Теоретическая задача 3
Воздушный шар с горячим воздухом
Рассмотрим воздушный шар с горячим воздухом, имеющий постоянный объём \(V_{\mathrm B} = 1.1\ \mathrm{m^3}\). Масса оболочки шара, объёмом которой следует пренебречь по сравнению с \(V_{\mathrm B}\), равна \(m_{\mathrm H} = 0.187\ \mathrm{kg}\).
Шар предполагается запускать при температуре наружного воздуха \(\vartheta_1 = 20\ ^\circ\mathrm C\) и нормальном давлении наружного воздуха \(p_{\mathrm o} = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\). При этих условиях плотность воздуха равна \(\rho_1 = 1.2\ \mathrm{kg/m^3}\).
a) Какую температуру \(\vartheta_2\) должен иметь нагретый воздух внутри шара, чтобы шар мог удерживаться в воздухе в равновесии?
b) Сначала шар удерживают у земли, а воздух внутри него нагревают до установившейся температуры \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\). Шар привязан верёвкой.
Рассчитайте силу, действующую на верёвку.
c) Рассмотрим шар, отверстие которого снизу завязано (плотность воздуха внутри остаётся постоянной). При установившейся температуре внутреннего воздуха \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\) шар поднимается в изотермической атмосфере с температурой \(20\ ^\circ\mathrm C\) и давлением у земли \(p_0 = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\). Какой высоты \(h\) может достичь шар при этих условиях?
d) На высоте \(h\) шар (из пункта c)) смещают из положения равновесия на \(10\ \mathrm m\), а затем отпускают.
Определите с помощью качественных рассуждений, какое движение он будет совершать!
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- a) \(\boxed{\vartheta_2 \approx 68.4\ ^\circ\mathrm C}\), что соответствует \(T_2\approx341.5\ \mathrm K\).
- b) Сила натяжения верёвки: \(\boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}\). Шар тянет верёвку вверх.
- c) Высота равновесия над точкой запуска: \(\boxed{h\approx8.4\times10^2\ \mathrm m=0.84\ \mathrm{km}}\).
- d) Приблизительно гармонические вертикальные колебания около высоты \(h\) с амплитудой \(10\ \mathrm m\), если пренебречь сопротивлением воздуха. Сопротивление воздуха приводит к затуханию колебаний.
Решение
Будем считать воздух идеальным газом постоянного состава, \[ p=\rho R_{\mathrm s}T, \] где \(R_{\mathrm s}\) — его удельная газовая постоянная, а \(T\) — абсолютная температура. Используемые значения температуры равны \[ T_1=293.15\ \mathrm K,\qquad T_3=383.15\ \mathrm K. \]
В пунктах (a) и (b) шар открыт снизу, поэтому давление внутри него равно давлению окружающего воздуха. Изменениями давления и плотности на расстояниях порядка размеров шара пренебрегаем. После герметизации в пункте (c) масса заключённого в нём воздуха и заданный объём остаются постоянными.
Используем \(g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}}\), считая это значение постоянным в рассматриваемом диапазоне высот.
a) Температура, необходимая для удержания шара в воздухе в равновесии
По закону Архимеда направленная вверх выталкивающая сила равна весу вытесненного наружного воздуха: \[ F_{\mathrm B}=\rho_1V_{\mathrm B}g. \] При нейтральной плавучести она уравновешивает суммарный вес оболочки и заключённого в ней воздуха: \[ \rho_1V_{\mathrm B}g =\left(m_{\mathrm H}+\rho_2V_{\mathrm B}\right)g. \] Таким образом, требуемая плотность воздуха внутри шара равна \[ \rho_2=\rho_1-\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} =1.2-\frac{0.187}{1.1} =1.03\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Поскольку давления внутри и снаружи равны, из уравнения состояния идеального газа следует \[ \rho_2T_2=\rho_1T_1. \] Следовательно, \[ T_2=\frac{\rho_1T_1}{\rho_2} =\frac{1.2(293.15)}{1.03} =341.53\ \mathrm K, \] или \[ \boxed{\vartheta_2=341.53-273.15\approx68.4\ ^\circ\mathrm C}. \]
b) Сила, действующая на верёвку
При \(T_3=383.15\ \mathrm K\) плотность воздуха внутри шара равна \[ \rho_3=\rho_1\frac{T_1}{T_3} =1.2\frac{293.15}{383.15} \approx0.91813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Верёвка создаёт направленную вниз силу, необходимую для уравновешивания превышения выталкивающей силы над весом: \[ F_{\mathrm{rope}} =\rho_1V_{\mathrm B}g -\left(m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B}\right)g. \] Подставляя значения, получаем \[ F_{\mathrm{rope}} =\left[(1.2-0.91813)(1.1)-0.187\right](9.81), \] так что \[ \boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}. \]
Это сила натяжения: верёвка тянет шар вниз, а шар тянет верёвку вверх.
c) Высота равновесия в изотермической атмосфере
После того как нижнее отверстие завязано, полная масса шара остаётся равной \[ M=m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B} =0.187+(0.91813)(1.1) \approx1.19694\ \mathrm{kg}. \]
Чтобы найти зависимость выталкивающей силы от высоты, совместим условие гидростатического равновесия атмосферы, \[ \frac{dp}{dz}=-\rho g, \] с уравнением состояния идеального газа при постоянной температуре наружного воздуха \(T_1\): \[ \frac{\rho(z)}{p(z)}=\frac{\rho_1}{p_0}. \] Следовательно, \[ \frac{dp}{p}=-\frac{\rho_1g}{p_0}\,dz. \] Интегрирование от уровня земли, где \(p=p_0\), даёт \[ p(z)=p_0e^{-z/H}, \qquad \rho(z)=\rho_1e^{-z/H}, \] где характерная высота атмосферы равна \[ H=\frac{p_0}{\rho_1g} =\frac{1.013\times10^5}{(1.2)(9.81)} \approx8.605\times10^3\ \mathrm m. \]
В равновесии выталкивающая сила равна постоянному весу шара: \[ \rho(h)V_{\mathrm B}g=Mg. \] Поэтому плотность наружного воздуха на этой высоте должна быть равна \[ \rho(h)=\frac{M}{V_{\mathrm B}} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} \approx1.08813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Используя экспоненциальную зависимость плотности от высоты, получаем \[ \rho_1e^{-h/H} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}}, \] откуда \[ h=H\ln\!\left( \frac{\rho_1}{\rho_3+m_{\mathrm H}/V_{\mathrm B}} \right). \] Численно \[ h=(8605.16) \ln\!\left(\frac{1.2}{1.08813}\right) \approx842\ \mathrm m. \] Таким образом, \[ \boxed{h\approx0.84\ \mathrm{km}}. \]
Это высота равновесия, о которой говорится в пункте (d). Свободно поднимающийся шар может пройти её по инерции.
d) Движение после смещения
Вес и объём шара остаются постоянными, тогда как плотность наружного воздуха уменьшается с высотой.
- При смещении вверх шар попадает в менее плотный воздух. Выталкивающая сила становится меньше его веса, поэтому равнодействующая сила направлена вниз.
- При смещении вниз шар попадает в более плотный воздух. Выталкивающая сила становится больше его веса, поэтому равнодействующая сила направлена вверх.
Таким образом, сила возвращает шар к высоте \(h\). Достигнув \(h\), шар по инерции проходит положение равновесия, что приводит к колебаниям.
Движение является приблизительно гармоническим, поскольку смещение мало по сравнению с характерной высотой атмосферы. Чтобы это показать, положим \(x=z-h\). Поскольку \(\rho(h)V_{\mathrm B}=M\), проекция равнодействующей силы на ось, направленную вверх, равна \[ F(x)=Mg\left(e^{-x/H}-1\right). \] Здесь \[ \frac{|x|}{H}\leq\frac{10}{8605}\approx1.2\times10^{-3}\ll1, \] поэтому \[ F(x)\approx-\frac{Mg}{H}x. \] Это возвращающая сила, пропорциональная смещению.
Таким образом, если пренебречь сопротивлением воздуха, шар совершает приблизительно гармонические вертикальные колебания с начальной амплитудой \(10\ \mathrm m\). Сопротивление воздуха рассеивает энергию и приводит к затуханию колебаний, в итоге останавливая шар на высоте равновесия.
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1982 · مسألة نظرية 3
منطاد الهواء الساخن
لنعتبر منطاد هواء ساخن ذا حجم ثابت \(V_{\mathrm B} = 1.1\ \mathrm{m^3}\). كتلة غلاف المنطاد، الذي يُهمل حجمه بالمقارنة مع \(V_{\mathrm B}\)، هي \(m_{\mathrm H} = 0.187\ \mathrm{kg}\).
يُراد إطلاق المنطاد من موضع تبلغ فيه درجة حرارة الهواء الخارجي \(\vartheta_1 = 20\ ^\circ\mathrm C\)، ويبلغ فيه ضغط الهواء الخارجي العادي \(p_{\mathrm o} = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\). في هذه الظروف، تبلغ كثافة الهواء \(\rho_1 = 1.2\ \mathrm{kg/m^3}\).
a) ما درجة الحرارة \(\vartheta_2\) التي يجب أن يبلغها الهواء المسخَّن داخل المنطاد كي يصبح المنطاد معلقًا في الهواء تمامًا؟
b) يُثبَّت المنطاد أولًا على الأرض، ويُسخَّن الهواء داخله حتى تبلغ درجة حرارته المستقرة \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\). ويُربط المنطاد بحبل.
احسب القوة المؤثرة في الحبل.
c) لنفترض أن فتحة المنطاد السفلية قد رُبطت وأُغلقت (فتبقى كثافة الهواء الداخلي ثابتة). عند درجة حرارة مستقرة للهواء الداخلي مقدارها \(\vartheta_3 = 110\ ^\circ\mathrm C\)، يرتفع المنطاد في غلاف جوي متساوي الحرارة عند \(20\ ^\circ\mathrm C\)، وضغطه عند سطح الأرض \(p_0 = 1.013\cdot 10^5\ \mathrm{Pa}\). ما الارتفاع \(h\) الذي يمكن أن يبلغه المنطاد في هذه الظروف؟
d) عند الارتفاع \(h\)، يُزاح المنطاد (في السؤال c)) عن موضع اتزانه بمقدار \(10\ \mathrm m\)، ثم يُترك حرًّا من جديد.
حدِّد بالاستدلال النوعي نوع الحركة التي سيؤديها!
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- a) \(\boxed{\vartheta_2 \approx 68.4\ ^\circ\mathrm C}\)، وهو ما يقابل \(T_2\approx341.5\ \mathrm K\).
- b) شد الحبل: \(\boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}\). يشد المنطاد الحبل إلى أعلى.
- c) ارتفاع الاتزان فوق نقطة الانطلاق: \(\boxed{h\approx8.4\times10^2\ \mathrm m=0.84\ \mathrm{km}}\).
- d) اهتزازات رأسية توافقية بسيطة تقريبًا حول \(h\)، بسعة \(10\ \mathrm m\) عند إهمال مقاومة الهواء. وتؤدي مقاومة الهواء إلى تخميد الحركة.
الحل
نُعامل الهواء بوصفه غازًا مثاليًّا ثابت التركيب، \[ p=\rho R_{\mathrm s}T, \] حيث \(R_{\mathrm s}\) هو ثابت الغاز النوعي للهواء، و\(T\) هي درجة الحرارة المطلقة. ودرجتا الحرارة المعنيتان هما \[ T_1=293.15\ \mathrm K,\qquad T_3=383.15\ \mathrm K. \]
في (a) و(b)، يكون المنطاد مفتوحًا من الأسفل، ولذلك يساوي ضغطه الداخلي الضغط المحيط به. ونهمل تغيرات الضغط والكثافة على امتداد أبعاد المنطاد. وبعد إغلاقه بإحكام في (c)، تبقى كتلة الهواء المحصور داخله وحجمه المحدد ثابتين.
نستخدم \(g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}}\)، ونعدّه ثابتًا ضمن الارتفاعات المدروسة.
a) درجة الحرارة اللازمة ليصبح المنطاد معلقًا في الهواء تمامًا
وفقًا لمبدأ أرخميدس، تساوي قوة الطفو المتجهة إلى أعلى وزن الهواء الخارجي المزاح: \[ F_{\mathrm B}=\rho_1V_{\mathrm B}g. \] لتحقيق الطفو المتعادل، تتوازن هذه القوة مع مجموع وزني الغلاف والهواء المحصور: \[ \rho_1V_{\mathrm B}g =\left(m_{\mathrm H}+\rho_2V_{\mathrm B}\right)g. \] إذن، الكثافة الداخلية المطلوبة هي \[ \rho_2=\rho_1-\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} =1.2-\frac{0.187}{1.1} =1.03\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
بما أن الضغطين الداخلي والخارجي متساويان، فإن قانون الغاز المثالي يعطي \[ \rho_2T_2=\rho_1T_1. \] وعليه، \[ T_2=\frac{\rho_1T_1}{\rho_2} =\frac{1.2(293.15)}{1.03} =341.53\ \mathrm K, \] أو \[ \boxed{\vartheta_2=341.53-273.15\approx68.4\ ^\circ\mathrm C}. \]
b) القوة المؤثرة في الحبل
عند \(T_3=383.15\ \mathrm K\)، تكون الكثافة الداخلية \[ \rho_3=\rho_1\frac{T_1}{T_3} =1.2\frac{293.15}{383.15} \approx0.91813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
يوفّر الحبل القوة المتجهة إلى أسفل واللازمة لموازنة مقدار زيادة قوة الطفو على الوزن: \[ F_{\mathrm{rope}} =\rho_1V_{\mathrm B}g -\left(m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B}\right)g. \] بالتعويض، \[ F_{\mathrm{rope}} =\left[(1.2-0.91813)(1.1)-0.187\right](9.81), \] ومن ثم، \[ \boxed{F_{\mathrm{rope}}\approx1.21\ \mathrm N}. \]
هذه هي قوة الشد: يشد الحبل المنطاد إلى أسفل، ويشد المنطاد الحبل إلى أعلى.
c) ارتفاع الاتزان في الغلاف الجوي المتساوي الحرارة
بعد ربط الفتحة السفلية وإغلاقها، تبقى الكتلة الكلية للمنطاد \[ M=m_{\mathrm H}+\rho_3V_{\mathrm B} =0.187+(0.91813)(1.1) \approx1.19694\ \mathrm{kg}. \]
لإيجاد كيفية تغير قوة الطفو مع الارتفاع، نجمع بين معادلة الاتزان الهيدروستاتيكي للغلاف الجوي، \[ \frac{dp}{dz}=-\rho g, \] وقانون الغاز المثالي عند درجة الحرارة الخارجية الثابتة \(T_1\): \[ \frac{\rho(z)}{p(z)}=\frac{\rho_1}{p_0}. \] وبالتالي، \[ \frac{dp}{p}=-\frac{\rho_1g}{p_0}\,dz. \] بالتكامل بدءًا من مستوى سطح الأرض، حيث \(p=p_0\)، نحصل على \[ p(z)=p_0e^{-z/H}, \qquad \rho(z)=\rho_1e^{-z/H}, \] حيث يُعطى ارتفاع المقياس للغلاف الجوي بالعلاقة \[ H=\frac{p_0}{\rho_1g} =\frac{1.013\times10^5}{(1.2)(9.81)} \approx8.605\times10^3\ \mathrm m. \]
عند الاتزان، تساوي قوة الطفو وزن المنطاد الثابت: \[ \rho(h)V_{\mathrm B}g=Mg. \] لذلك، يجب أن تكون الكثافة الخارجية عند ذلك الارتفاع \[ \rho(h)=\frac{M}{V_{\mathrm B}} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}} \approx1.08813\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
باستخدام التوزيع الأُسّي للكثافة، \[ \rho_1e^{-h/H} =\rho_3+\frac{m_{\mathrm H}}{V_{\mathrm B}}, \] ومن ثم، \[ h=H\ln\!\left( \frac{\rho_1}{\rho_3+m_{\mathrm H}/V_{\mathrm B}} \right). \] عدديًّا، \[ h=(8605.16) \ln\!\left(\frac{1.2}{1.08813}\right) \approx842\ \mathrm m. \] إذن، \[ \boxed{h\approx0.84\ \mathrm{km}}. \]
هذا هو ارتفاع الاتزان المشار إليه في الجزء (d). ويمكن للمنطاد الصاعد بحرية أن يتجاوزه بفعل قصوره الذاتي.
d) الحركة بعد الإزاحة
يبقى وزن المنطاد وحجمه ثابتين، في حين تتناقص كثافة الهواء الخارجي مع الارتفاع.
- إذا أُزيح إلى أعلى، فإنه ينتقل إلى هواء أقل كثافة. وتصبح قوة الطفو أصغر من وزنه، فتتجه القوة المحصلة إلى أسفل.
- إذا أُزيح إلى أسفل، فإنه ينتقل إلى هواء أعلى كثافة. وتصبح قوة الطفو أكبر من وزنه، فتتجه القوة المحصلة إلى أعلى.
إذن، تعمل القوة على إعادة المنطاد نحو \(h\). وعند بلوغه \(h\)، يجعله قصوره الذاتي يتجاوز موضع الاتزان، مما يؤدي إلى الاهتزاز.
تكون الحركة توافقية تقريبًا لأن الإزاحة صغيرة بالمقارنة مع ارتفاع المقياس للغلاف الجوي. ولتوضيح ذلك، لنضع \(x=z-h\). وبما أن \(\rho(h)V_{\mathrm B}=M\)، فإن القوة المحصلة في الاتجاه الموجب إلى أعلى هي \[ F(x)=Mg\left(e^{-x/H}-1\right). \] هنا، \[ \frac{|x|}{H}\leq\frac{10}{8605}\approx1.2\times10^{-3}\ll1, \] ومن ثم، \[ F(x)\approx-\frac{Mg}{H}x. \] وهذه قوة إرجاع تتناسب مع الإزاحة.
إذن، عند إهمال مقاومة الهواء، يؤدي المنطاد اهتزازات رأسية توافقية بسيطة تقريبًا، بسعة ابتدائية مقدارها \(10\ \mathrm m\). وتبدّد مقاومة الهواء الطاقة وتخمّد الحركة، إلى أن يستقر المنطاد في النهاية عند ارتفاع اتزانه.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.