Spēki un mijiedarbība

Baloni piekarināti pie sviras, kas atbalstīta vidū. Kad piepūstie baloni ir līdzsvarā, uz katru no tiem darbojas četri spēki: virzienā uz leju darbojas balona apvalka smaguma spēks $\overrightarrow{F_1}$ un balonā esošā gaisa smaguma spēks $\overrightarrow{F_2}$. Virzienā uz augšu darbojas auklas sastiepuma spēks $\overrightarrow{F_4}$ un Arhimēda spēks $\overrightarrow{F_3}$. Tā kā baloni piestiprināti vienādā attālumā no atbalsta un svira atrodas līdzsvarā, tad uz katru no baloniem darbojošie spēki ir līdzsvarā  $\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2}=\overrightarrow{F_3}+\overrightarrow{F_4}$.

Pēc gaisa izplūšanas no balona X, uz to darbojas tikai diega elastības spēks $\overrightarrow{F_4}$, kas kompensē smaguma spēku $\overrightarrow{F_1}$ (skatīt attēlu). Pēc gaisa izplūšanas no balona X, uz balonu Y turpina darboties balona apvalka smaguma spēks $\overrightarrow{F_1}$, balonā esošā gaisa smaguma spēks $\overrightarrow{F_2}$, Arhimēda spēks $\overrightarrow{F_3}$, kā arī diega sastiepuma spēks $\overrightarrow{F^*_4}$. Spēki, kas darbojas uz Y balonu atrodas līdzsvarā: $\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2}=\overrightarrow{F_3}+\overrightarrow{F^*_4}$.

Tālāk salīdzina spēku $F_2$ un $F_3$ moduļus.

Balonā esošā gaisa smaguma spēku $F_2$ nosaka pēc formulas $F_2=m_\mathrm{iekš}g$, kur $m_\mathrm{iekš}$ – balonā esošā gaisa masa, $g$ – brīvās krišanas paātrinājums. Balonā esošā gaisa masa saistīta ar balona tilpumu un tajā esošā gaisa blīvumu: $m_\mathrm{iekš}=\rho_\mathrm{iekš}V$. Tādēļ balonā esošo gaisu darbojas smaguma spēks $F_2=\rho_\mathrm{iekš}gV$.

Arhimēda spēku $F_3$ nosaka pēc formulas $F_3=\rho_\mathrm{ārpus}gV$, kur $\rho_\mathrm{ārpus}$ – ārpus balona esošā gaisa blīvums.

Balonā atrodas saspiests gaiss, tāpēc $\rho_\mathrm{iekš}>\rho_\mathrm{ārpus}$ un $F_2>F_3$.

Spēks $F^*_4$ ir lielāks nekā spēks $F_4$. Tādēļ var secināt (skatīt attēlu), ka balons Y stiprāk deformē auklu nekā balons X jeb balons Y ar gaisu ir smagāks nekā balons X bez gaisa.

Atbilde: svaru līdzsvars tiks izjaukts un labās puses balons Y atradīsies zemāk nekā balons X.

Vērtēšanas kritēriji

Spēku attēlojumu vērtē līmeņos:
attēlo visus spēkus, kas darbojas uz baloniem, pieraksta to apzīmējumus vai nosaukumu – 2 punkti;
pieļauta viena kļūda – 1 punkts;
pieļautas divas vai vairāk kļūdas – 0 punkti.

Attēlo sviras un balonu stāvokli pēc gaisa izplūšanas no balona X – 1 punkts.

Salīdzina smaguma spēku, kas darbojas uz balonā esošā gaisa masu, un Arhimēda spēku – 1 punkts.