Задание 21 ЕГЭ, физика: Механика

Исходное состояние (покой на Земле)

Для кольца пирамидки № 1 на воздухе второй закон Ньютона в проекции на вертикаль при равновесии ($a = 0$): $$F_{y1} - mg = 0 \Rightarrow F_{y1} = mg$$ Пружина сжата, её упругость уравновешивает вес.

Для кольца пирамидки № 2 в воде действуют три силы: упругость $F_{y2}$, вес $mg$ и выталкивающая сила Архимеда $F_{арх} = \rho_0 gV$. При равновесии: $$F_{y2} + mg - F_{арх} = 0 \Rightarrow F_{y2} = F_{арх} - mg$$

Поскольку плотность воды $\rho_0$ больше плотности дерева $\rho$, имеем $F_{арх} > mg$, поэтому $F_{y2} > 0$. Пружина растянута.

Во время свободного падения

Все тела находятся в состоянии невесомости. Ускорение свободного падения действует на всё: на кольца, воду и Землю одинаково. Это означает:

• Вес каждого предмета становится нулю: $mg_{св} = 0$
• Сила Архимеда определяется весом вытесненной жидкости. Если жидкость тоже невесома, то $F_{арх} = 0$

Вывод

При свободном падении обе внешние силы (вес и сила Архимеда) обнуляются. Пружины перестают быть деформированы и стремятся вернуться в естественное состояние:

• Пружина 1 была сжата → становится длиннее, растягивается
• Пружина 2 была растянута → становится короче, сжимается