4.1.19∗. В цилиндрическом сосуде радиуса $R$, частично наполненном жидкостью плотности $ρ$, в боковой стенке имеется отверстие, заткнутое пробкой. Какую работу нужно совершить, чтобы вдвинуть пробку на длину $l$? Пробка имеет вид цилиндра радиуса $r$. Центр отверстия находится на глубине $h$. Сосуд достаточно высок, чтобы жидкость из него не выливалась. Трение не учитывать.
К задаче $4.1.19$
Решение
Работа, которая выполняется при вдвигании пробки, имеет две составляющих. Первое это работа против сил гидростатического давления, а второе это то, что при перемещении пробки внутрь сосуда увеличивается уровень жидкости, так как пробка вытесняет объём воды, поэтому часть работы идёт на изменение потенциальной энергии жидкости.
$$A=A_{p}+\Delta U$$
Определим сначала работу против сил гидростатического давления $A_{p}$. Давление на пробку создается жидкостью и определяется законом Паскаля: $P=\rho gh$. Сила, действующая на пробку, равна произведению давления на площадь поперечного сечения пробки:
$$F=PS=\rho gh \cdot \pi r^{2}$$
Поскольку пробка вдвигается на длину $l$, то работа против сил гидростатического давления будет:
$$A_{p}=Fl=\rho gh \cdot \pi r^{2}l$$
Определим теперь изменение потенциальной энергии жидкости в сосуде $\Delta U$. При вдвижении пробки на длину $l$ внутрь сосуда вытесняется объём жидкости:
$$V=\pi r^{2}l$$
Если обозначить $\Delta H$ высоту подъема уровня жидкости над первоначальным уровнем, то $V=S_{сосуд} \cdot \Delta H=\pi R^{2}\Delta H$. Приравняем эти объемы и выразим $\Delta H$:
$$\Delta H=\frac{r^{2}l}{R^{2}}$$
Центр масс вытесненной жидкости подниметься на высоту $\frac{\Delta H}{2}$. Масса вытесненной воды: