4.2.7. Тело в воде весит в три раза меньше, чем в воздухе. Чему равна плотность тела?
Решение
Анализ сил
Вес тела — это сила, с которой оно действует на опору или подвес. По третьему закону Ньютона, она равна по модулю силе нормальной реакции (или натяжения) $N$, которую и измеряют весы.
1. Тело в воздухе Запишем уравнение равновесия для тела в воздухе (выталкивающей силой воздуха пренебрегаем). Вес тела $N_{\text{в}}$ полностью уравновешивает силу тяжести $mg$: $$N_{\text{в}} = mg$$ Учитывая, что масса тела $m = \rho V$ (где $\rho$ — искомая плотность тела, $V$ — его объем), получаем: $$N_{\text{в}} = \rho V g \quad (1)$$
2. Тело в воде При погружении в воду на тело начинает действовать выталкивающая сила Архимеда $F_A = \rho_0 V g$ (где $\rho_0$ — плотность воды). Уравнение равновесия по оси $y$ принимает вид: $$mg = N_{\text{вода}} + F_A$$ $$\rho V g = N_{\text{вода}} + \rho_0 V g$$ Отсюда выразим вес тела в воде: $$N_{\text{вода}} = (\rho - \rho_0) V g \quad (2)$$
3. Нахождение плотности По условию задачи вес тела в воде в 3 раза меньше, чем в воздухе, следовательно $\frac{N_{\text{в}}}{N_{\text{вода}}} = 3$. Разделим уравнение $(1)$ на уравнение $(2)$: $$\frac{\rho V g}{(\rho - \rho_0) V g} = 3$$ $$\frac{\rho}{\rho - \rho_0} = 3$$ $$\rho = 3\rho - 3\rho_0$$ $$2\rho = 3\rho_0 \implies \rho = \frac{3}{2}\rho_0$$
Так как плотность воды $\rho_0 = 1000 \text{ кг/м}^3$ (или $1 \text{ г/см}^3$), получаем: $$\rho = 1,5 \cdot 1000 = 1500 \text{ кг/м}^3$$