Правка разделов «Условие», «Решение», «Способ 1: Использование закона Архимеда»

Valter правка от
правка #19814 предыдущая #14727 ← раньше позже →
@@ -1,46 +1,66 @@
### Условие
−$4.1.12.$ [Вставьте описание задачи]
+$4.1.12^*.$ Нижняя грань правильного тетраэдра с ребром $a$, полностью погруженного в жидкость плотности $\rho$, находится на глубине $h$. Определите силу, действующую со стороны жидкости на боковую грань тетраэдра, если атмосферное давление равно $P$.
−__Пример условия__:
−$1.1.1.$ Определите координату $x(t)$ тела как функцию времени $t$, если его ускорение задано как $a(t) = bt$, где $b$ - константа.
+![|392x295, 50%](../../img/4.1.12/Снимок экрана 2026-08-03 141726.png)
−
### Решение
−[Здесь должно быть ваше решение]
+Геометрические параметры правильного тетраэдра с ребром $a$:
+Площадь одной грани:
+$$ S = \frac{a^2 \sqrt{3}}{4} $$
+Объем тетраэдра:
+$$ V = \frac{a^3 \sqrt{2}}{12} $$
+Косинус двугранного угла при основании: $\cos\alpha = \frac{1}{3}$.
+Синус этого угла: $\sin\alpha = \sqrt{1 - \left(\frac{1}{3}\right)^2} = \frac{2\sqrt{2}}{3}$.
−__Пример решения__:
−Ускорение тела задано как
+Эту задачу можно решить двумя независимыми способами.
−$$a(t) = bt$$
+### Способ 1: Использование закона Архимеда
−Мы знаем, что ускорение - это производная скорости по времени:
+Рассмотрим силы давления, действующие на замкнутую поверхность тетраэдра.
+Сила давления на нижнюю горизонтальную грань направлена строго вертикально вверх. Давление на глубине $h$ равно $p = P + \rho gh$, поэтому:
+$$ F_{\text{осн}} = (P + \rho gh)S $$
−$$a(t) = \\frac{d v(t)}{d t}$$
+Согласно закону Архимеда, равнодействующая сил гидростатического давления на замкнутую поверхность направлена вверх и равна $\rho g V$. Атмосферное давление $P$ действует на все грани и в сумме дает нулевой вклад в подъемную силу.
−Чтобы найти скорость $v(t)$, интегрируем $a(t)$ по времени:
+Обозначим искомую силу давления на одну боковую грань как $F$. В силу симметрии горизонтальные составляющие сил давления на три боковые грани взаимно компенсируются. Вертикальная составляющая силы давления на одну боковую грань направлена вниз и равна $F \cos\alpha$.
−$$v(t) = \\int a(t) \\, dt = \\int b t \\, dt$$
+Запишем условие равновесия сил в проекции на вертикальную ось:
+$$ F_{\text{осн}} - 3F \cos\alpha = \rho g V $$
+$$ F_{\text{осн}} - 3F \cdot \frac{1}{3} = \rho g V \implies F_{\text{осн}} - F = \rho g V $$
−Если начальная скорость $v(0) = 0$, то скорость становится:
+Отсюда выражаем искомую силу $F$:
+$$ F = F_{\text{осн}} - \rho g V = (P + \rho gh)S - \rho g V $$
−$$v(t) = \\frac{b t^2}{2}$$
+Подставим геометрические параметры:
+$$ F = (P + \rho gh) \frac{a^2 \sqrt{3}}{4} - \rho g \frac{a^3 \sqrt{2}}{12} $$
−Аналогично, интегрируем $v(t)$ по времени:
+### Способ 2: Через среднее давление (метод центроида)
−$$x(t)= \\int v(t) \\, dt = \\frac{b}{2} \\int t^2 \\, dt$$
+Сила давления жидкости на плоскую фигуру равна произведению площади фигуры на давление в её геометрическом центре (центроиде):
+$$ F = p_{\text{ср}} S = (P + \rho g h_c) S $$
+где $h_c$ — глубина расположения центра масс боковой грани.
−Откуда координата от времени, учитывая начальные условия:
+Центр масс треугольника (боковой грани) лежит на расстоянии $1/3$ её высоты от основания. Высота грани $H_{\text{гр}} = \frac{a\sqrt{3}}{2}$. Значит, расстояние от дна тетраэдра до центроида вдоль самой грани равно:
+$$ l = \frac{H_{\text{гр}}}{3} = \frac{a\sqrt{3}}{6} $$
−$$\\boxed{x(t)=\\frac{bt^3}{6}}$$
+Спроецируем это расстояние на вертикальную ось, чтобы найти, на сколько центроид приподнят над нижней гранью:
+$$ \Delta z = l \sin\alpha = \frac{a\sqrt{3}}{6} \cdot \frac{2\sqrt{2}}{3} = \frac{a\sqrt{6}}{9} $$
−#### Ответ
+Тогда глубина центроида боковой грани:
+$$ h_c = h - \Delta z = h - \frac{a\sqrt{6}}{9} $$
−[Вставьте краткий ответ или результат в рамке, например:]
+Подставляем $h_c$ в формулу силы:
+$$ F = \left( P + \rho g \left( h - \frac{a\sqrt{6}}{9} \right) \right) \frac{a^2 \sqrt{3}}{4} $$
+Раскроем скобки, чтобы показать идентичность результатов обоих способов:
+$$ F = (P + \rho gh) \frac{a^2 \sqrt{3}}{4} - \rho g \frac{a\sqrt{6}}{9} \cdot \frac{a^2\sqrt{3}}{4} $$
+$$ F = (P + \rho gh) \frac{a^2 \sqrt{3}}{4} - \rho g \frac{a^3 \sqrt{18}}{36} = (P + \rho gh) \frac{a^2 \sqrt{3}}{4} - \rho g \frac{a^3 \sqrt{2}}{12} $$
−__Пример ответа__:
−$$ x(t)=\\frac{bt^3}{6} $$
+Оба метода привели к одному выражению. Для получения финального ответа сгруппируем слагаемые:
+$$ F = \frac{1}{4} P a^2 \sqrt{3} + \frac{3\sqrt{3}}{12} \rho g h a^2 - \frac{\sqrt{2}}{12} \rho g a^3 $$
+$$ F = \frac{1}{12} \rho g a^2 (3\sqrt{3}h - \sqrt{2}a) + \frac{1}{4} P a^2 \sqrt{3} $$
−
+### Ответ
+$$ F = \frac{1}{12} \rho g a^2 (3\sqrt{3}h - \sqrt{2}a) + \frac{1}{4} P a^2 \sqrt{3} $$