Задание 21 ЕГЭ, физика: Механика

Шаг 1. Анализ исходного состояния

Правая часть сосуда открыта в атмосферу через отверстие, поэтому давление там равно $p_a$ (атмосферному). Пружина в начальном положении растянута, значит со стороны пружины на поршень действует сила упругости $F_{уп}$, направленная вправо (в сторону сжатия).

Шаг 2. Условие равновесия поршня

Поршень находится в равновесии. На него действуют три силы:

• Сила упругости пружины: $F_{уп}$ (вправо)
• Сила давления атмосферы: $p_a \cdot S$ (влево)
• Сила давления газа в левой части: $p_1 \cdot S$ (вправо)

Из условия равновесия: $p_1 \cdot S + F_{уп} = p_a \cdot S$

Отсюда получаем: $$p_1 = p_a - \frac{F_{уп}}{S}$$

Это означает, что давление в левой части меньше атмосферного.

Шаг 3. Что происходит при вынимании пробки

Когда вынимают пробку, левая часть сосуда открывается атмосфере, и давление там становится равным $p_a$. Это давление резко увеличилось (было $p_1 < p_a$, стало $p_a$).

Шаг 4. Нарушение равновесия

Теперь сила давления слева больше, чем требуется для равновесия с учётом силы упругости. Поршень начнёт смещаться вправо, сжимая пружину. Он будет двигаться до тех пор, пока пружина полностью не разжимается (станет недеформированной), восстанавливая равновесие на новом уровне.