倒空一个500ml的矿泉水瓶,将体积压缩一半,然后在气压的作用下,从远处做出直径3cm,质量0.5g的瓶盖。
条件不足:工作距离。一般矿泉水瓶的瓶盖从拧紧状态到完全拧开状态,其在矿泉水瓶轴向的行程差接近1cm,所以这里取为1cm。
矿泉水瓶体积压缩一半,可以认为是等温压缩过程。如果不考虑漏气,压力会翻倍到2atm,所以压差是1atm。瓶盖塌陷时,瓶内体积的变化很小,这里忽略瓶内体积和气压的变化。1atm是1.01× 10 5pa。瓶盖面积为(0.03/2) 2×π = 7.07× 10-4平方米。那么作用在瓶盖上的压力是71.4N(沿瓶身轴线),重力是0.005N,忽略不计。则瓶盖在1cm处的总功为0.714J,初速度为53.44 m/s。
水平距离:如果向上60°,初速度垂直分量为46.28,落地时间为9.3s,当初速度水平分量为26.72m/s时,落点与起点的水平距离为248.5m..
问题2:
这个条件就更没有了。如果瓶盖和平板都是理想刚体,那么任何碰撞得到的冲击力都是无穷大。因为刚体的刚度(弹性变形系数)是无穷大,所以无论提供多大的反作用力,都导致所需的变形为零。没有变形,也就是说反作用力的作用距离为零,瓶盖飞过的速度和动能抵消了,所以冲击力一定是无穷大。
如果想得到有限的冲击力,至少需要以下几个物理量:瓶盖和板材的刚度(变形时的弹性系数),也就是材料刚度。如果要考虑瓶盖和板材撞击时可能发生的结构变形(比如1m×1m,1mm厚的方形薄板整体撞击弯曲,不同于瓶盖撞击墙壁产生凹坑的局部变形),还要计算瓶盖和板材的结构刚度。
总之,第二个问题基本不打算手工计算,很可能手工计算与实际相差太大。这个实际问题一般用力学仿真软件来计算。
另外,友情提醒:楼主要做实验的话,由于摩擦力和空气阻力,瓶盖不会飞得像计算的那么快那么远。但是大部分矿泉水瓶的瓶盖都承受不了1atm(瓶内2atm,瓶外1atm)的压力差,所以要爱惜生命,注意不要弄坏眼睛或者其他脆弱部位...