4.2.10. Определите силу натяжения нижней лески у поплавка, изображенного на рисунке, если поплавок погружен в воду на две трети своей длины. Масса поплавка $2 \text{ г}$.
К задаче $4.2.10$
Решение
На поплавок действуют три силы: сила тяжести $mg$, выталкивающая сила Архимеда $F_A$ и сила натяжения нижней лески $T$. (Верхняя леска, идущая к удилищу, считается провисшей, поэтому ее натяжением пренебрегаем).
Поскольку поплавок находится в равновесии, сумма моментов всех сил относительно любой точки равна нулю. Удобнее всего выбрать в качестве оси вращения точку $O$ — центр приложения силы Архимеда. В этом случае момент силы Архимеда занулится.
Определим плечи оставшихся сил. Пусть полная длина однородного поплавка равна $L$, а угол его отклонения от вертикали равен $\alpha$: * Так как поплавок погружен на $2/3$ своей длины, центр погруженной части (точка $O$) находится на расстоянии $\frac{L}{3}$ от нижнего конца. * Сила натяжения $T$ приложена к нижнему концу. Ее плечо относительно точки $O$ равно $\frac{L}{3} \sin\alpha$. * Центр тяжести однородного поплавка находится строго посередине, на расстоянии $\frac{L}{2}$ от нижнего конца. Следовательно, расстояние от точки $O$ до центра тяжести равно $\frac{L}{2} - \frac{L}{3} = \frac{L}{6}$. Плечо силы тяжести равно $\frac{L}{6} \sin\alpha$.
Запишем уравнение моментов относительно точки $O$: $$mg \cdot \frac{L}{6} \sin\alpha - T \cdot \frac{L}{3} \sin\alpha = 0$$
Сокращаем обе части уравнения на $L \sin\alpha$: $$mg \cdot \frac{1}{6} = T \cdot \frac{1}{3}$$ $$T = \frac{mg}{2}$$