4.2.15∗. Как зависит сила, прижимающая друг к другу два одинаковых полуцилиндра плавающего батискафа, от глубины его погружения $H$, если он плавает на поверхности жидкости так, как это показано на рисунках а и б? Радиус батискафа $R$, длина $L$, плотность жидкости $ρ$.
К задаче $4.2.15$
Решение
Общая формула давления на элемент площади: $$dF = p(h) \, ds \tag{1}$$
а) Полуцилиндры
Рассматриваем малый элемент поверхности цилиндра:
Элемент площади: $$ds = 2 R \, dh \tag{2}$$
Гидростатическое давление: $$p(h) = \rho g h \tag{3}$$
Подставим (2) и (3) в (1): $$dF = 2 R \rho g h \, dh \tag{4}$$
Интегрируем от $h = 0$ до $h = H + \frac{L}{2}$: $$F = \int_0^{H + \frac{L}{2}} 2 R \rho g h \, dh = 2 R \rho g \int_0^{H + \frac{L}{2}} h \, dh = R \rho g \left( H + \frac{L}{2} \right)^2 \tag{5}$$
б) Прямоугольная форма
Рассматриваем элемент боковой поверхности:
Площадь элемента: $$ds = L \, dh \tag{6}$$
Подставим (6) и (3) в (1): $$dF = \rho g h L \, dh \tag{7}$$
Интегрируем от $h = 0$ до $h = R + H$: $$F = \int_0^{R + H} \rho g h L \, dh = \rho g L \int_0^{R + H} h \, dh = \frac{1}{2} \rho g L (R + H)^2 \tag{8}$$
Ответ
а) $\boxed{F = R \rho g \left( H + \frac{L}{2} \right)^2}$