Решение на момент правки #15663 от , автор Valentao. Это не текущая версия.

Условие

2.2.40. На чаше весов стоят песочные часы. Когда песок внизу, показания весов . Вес песка равен . Часы переворачивают. Нарисуйте график зависимости показания весов от времени. Время падения каждой песчинки , время протекания песка .

Решение

Пусть масса всего песка , его вес .

Обозначим массовую скорость течения песка (масса, высыпающаяся в единицу времени):

Тогда вес в единицу времени высыпающейся массы:

Сразу после переворота песок начинает высыпаться, но ещё ни одна частица не долетела до дна, это интервал , в полёте находится масса, которая не оказывает давление на весы:

полёт

Поэтому показание весов уменьшается на этот вес: . Функция показания весов от времени в этом интервале будет иметь вид:

Наименьший вес, который покажут весы:

В интервале времени в любой момент всегда есть частицы в полёте массой (они не оказывают давление на весы), но одновременно в единицу времени на дно падает масса со скоростью .

Сила, связанная с торможением потока песка:

точно равна весу частиц, находящихся в полёте: . Значит потерянный вес компенсируется импульсной добавкой, и отображение весов остаётся постоянным:

полёт

В интервале времени вес песка уже не уменьшается, а сила импульсного торможения линейно увеличивается со временем: . Функция показания весов от времени в этом интервале будет иметь вид:

Наибольший вес, который покажут весы:

В интервале времени весь песок внизу и весы будут показывать .

Итак, кусочно-линейная функция показаний весов:

Ответ

Альтернативное решение

Видео GetACLass на тему этой задачи:
https://www.youtube.com/watch?v=mf7miLL9KCw
https://www.youtube.com/watch?v=dJjmvhHVjdk