以建筑工程為背景的物理考題例析

■向陳健 王 凱(指導(dǎo)教師：向汝星)

作者單位：1.江淮工業(yè)學(xué)校機(jī)電專業(yè)2014屆

2.江淮工業(yè)學(xué)校機(jī)電專業(yè)2020屆

物理學(xué)知識(shí)來源于人們長期對(duì)自然界的觀察和研究，而物理知識(shí)又應(yīng)用于很多的行業(yè)和日常生活。下面通過兩道例題來具體分析。

圖1

例1(2018·荊州)如圖1所示是蒙華鐵路荊州段長江大橋施工現(xiàn)場，工程師用起吊裝置在江中起吊工件。已知工件重4000 N，每個(gè)滑輪重500N，聲音在水中的傳播速度是1500m/s。在水面上用超聲測位儀向江底的工件垂直發(fā)射超聲波，經(jīng)過0.02s后收到回波。(不計(jì)繩重和摩擦，取103kg/m3)

(1)求工件在水下的深度。

(2)不計(jì)工件的高度，求水對(duì)工件產(chǎn)生的壓強(qiáng)。

(3)當(dāng)工件在水面下勻速上升時(shí)，繩子自由端的拉力為500N，求工件的體積。

解：(1)工件在水下的深度s=vt=15m。

例2(2017·煙臺(tái))港珠澳大橋海底隧道是世界上最長的公路沉管隧道，全長5.6km，由33節(jié)沉管和“最終接頭”組成。33節(jié)沉管已經(jīng)全部成功安裝，只剩E29 和E30之間留有十多米的空隙，這就是“最終接頭”的位置?！白罱K接頭”的質(zhì)量約為6.0×106kg，雖然和之前的沉管相比小了很多倍，但入水后受洋流、浮動(dòng)等因素影響，姿態(tài)會(huì)發(fā)生變化，安全平穩(wěn)地把接頭吊裝到約30m 深的海底是十分艱難的過程。據(jù)悉“最終接頭”由“振華30 號(hào)”吊裝船吊裝(如圖2)，通過系列平衡調(diào)整，從9 時(shí)整，“最終接頭”從距離水面20 m 高處勻速下放，9 時(shí)12 分，開始入水，完全入水后，吊鉤對(duì)“最終接頭”的拉力為2.0×107N左右，12時(shí)，“最終接頭”下沉到位。吊裝起重機(jī)的機(jī)械效率約為80%。(g取取1.0×103kg/m3)求：

(1)“最終接頭”下沉到位后下表面所受水的壓強(qiáng)。

(2)“最終接頭”的平均密度。

(3)吊裝起重機(jī)的最大輸出功率。

圖2

解：(1)由題意可知，“最終接頭”下沉到位后下表面距離水面h=30m，則下表面所受水的壓強(qiáng)。

(2)“最終接頭”的重力G=mg=6.0×107N，“最終接頭”受到的浮力F浮=G-F=4×107N。因物體浸沒時(shí)排開液體的體積和自身的體積相等，所以“最終接頭”的體積，“最終接頭”的平均密度。

(3)吊裝起重機(jī)勻速下放“最終接頭”，“最終接頭”未入水時(shí)，吊裝起重機(jī)的輸出功率最大。在此過程中吊裝起重機(jī)做的有用功W有=Gh′=1.2×109J，由得W總=，“最終接頭”從勻速下放到開始入水所用的時(shí)間t=12min=720s，吊裝起重機(jī)的最大輸出功率。