Задание 21 ЕГЭ, физика: Механика

Анализ начального состояния

Осмотрим силы, действующие на поршень до удаления пробки. Поршень находится в равновесии под действием трёх сил:

• Давление атмосферы слева: $p_{\text{атм}} \cdot S$ (вправо)
• Сила упругости сжатой пружины: $F_{\text{упр}}$ (вправо)
• Давление воздуха в правой части: $p_1 \cdot S$ (влево)

Условие равновесия: $p_{\text{атм}} \cdot S + F_{\text{упр}} = p_1 \cdot S$

Отсюда следует, что $p_1 > p_{\text{атм}}$.

Процесс после удаления пробки

Когда пробка вынимается, воздух из правой части выходит в атмосферу до достижения равновесия давлений. По закону Бойля–Мариотта (при постоянной температуре) давление в правой части снижается до $p_2 = p_{\text{атм}}$.

Новое равновесие поршня

При новом давлении условие равновесия принимает вид: $$p_{\text{атм}} \cdot S + F'_{\text{упр}} = p_{\text{атм}} \cdot S$$

Следовательно, $F'_{\text{упр}} = 0$, то есть пружина становится недеформированной.

Вывод направления смещения

Так как пружина была сжата, её длина была меньше естественной длины. Чтобы стать недеформированной, пружина должна распрямиться, значит, поршень переместится вправо.