Zoznam úloh

4. YOLO

Zadanie

Predtým než Kvík vyrazil na ďalší zo svojich YOLO cyklovýletov, dofúkal si bezdušové plášte na bicykli na odporúčaný tlak troch atmosfér. Teplota ráno bola sviežich $\SI{10}{\celsius}$. Keď si neskôr urobil prestávku na obed, bicykel nechal na slnku, kde sa plášte zohriali na $\SI{60}{\celsius}$. Aký bol v nich vtedy tlak, ak teplotná rozťažnosť gumy aj rámu je $\SI{80}{\micro\metre\per\metre\per\kelvin}$?

_Kvík má na bicykli $\SI{29}{\inchp}$ plášte široké $\SI{2}{\inchp}$.

Pneumatika je torus, preto jej objem v začiatočnom stave je $$ V_0 = 2\pi a_0 \cdot \pi b_0^2 = 2\pi^2 a_0 b_0^2, $$ kde $a_0$ je polomer pneumatiky (od stredu kružnice do stredu samotnej pneumatiky – torusu) a $b_0$ je polomer samotného torusu. Pneumatika v dôsledku zmeny teploty zväčší svoj objem z $V_0$ na $V_1$. Presnejšie, oba jej rozmery ($a$, $b$) sa zväčšia podľa vzťahu tepelnej rozťažnosti $$ \begin{aligned} a_1 &= a_0 (1 + \alpha\Delta T), \ b_1 &= b_0 (1 + \alpha\Delta T), \end{aligned} $$ kde $\alpha$ je koeficient tepelnej rozťažnosti a $\Delta T$ je rozdiel finálnej a pôvodnej teploty. Objem $V_1$ teda vieme vypočítať ako $$ V_1 = 2\pi^2 a_1 b_1^2 = 2\pi^2 a_0 (1 + \alpha\Delta T) b_0^2 (1 + \alpha\Delta T)^2 = 2\pi^2 a_0 b_0^2 (1 + \alpha\Delta T)^3 = V_0 (1 + \alpha\Delta T)^3. $$

Zo stavovej rovnice vieme, že $\frac{pV}{T}$ je konštantné, ak sa množstvo plynu nemení. Takže $$ \frac{p_0 V_0}{T_0} = \frac{p_1 V_1}{T_1}, $$ kde index $0$ označuje začiatočný stav a index $1$ konečný stav. My chceme vypočítať tlak $p_1$, ktorý môžeme jednoducho vyjadriť ako $$ p_1 = p_0\frac{V_0 T_1}{V_1 T_0}. $$ Po dosadení $V_1$ sa pôvodný objem vykráti a dostaneme $$ p_1 = p_0\frac{T_1}{T_0(1 + \alpha\Delta T)^3}, $$ z čoho po prevedení teplôt zo stupňov Celzia na kelviny a dosadení číselných hodnôt vypočítame výsledný tlak $$ p_1 \approx \num{3.4877} p_\mathrm{a}. $$

Pre odovzdávanie sa musíš prihlásiť.