4.2.26. Вертикальный цилиндрический сосуд радиуса $R$, частично заполненный жидкостью, вращается вместе с жидкостью вокруг своей оси. К боковой стенке сосуда на нити длины $l$ привязан воздушный шарик радиуса $r$; во время вращения нить образует со стенкой угол $\alpha$. Определите угловую скорость вращения сосуда.
К задаче $4.2.26$
Решение
Силы действующие на шарик
Так как шарик не всплывает на поверхность, вертикальная сила Архимеда полностью компенсируется вертикальной составляющей силы натяжения нити: $$T \cos\alpha = \frac{4\pi r^3}{3} \rho g$$
Отсюда можно выразить силу натяжения нити: $$T = \frac{4\pi r^3}{3 \cos\alpha} \rho g \quad (1)$$
Также мы можем записать условие равновесия для горизонтальной силы Архимеда, которая компенсируется горизонтальной составляющей силы натяжения нити: $$T \sin\alpha = \rho V \omega^2 x \quad (2)$$
Из рисунка видно, что центр масс шарика находится на расстоянии $l + r$ от точки крепления нити. Тогда расстояние от оси вращения до центра шарика $x$ равно: $$x = R - (l + r) \sin\alpha$$
Подставив это выражение в $(2)$, получим: $$\rho \frac{4\pi r^3}{3} \omega^2 (R - (l + r) \sin\alpha) = T \sin\alpha \quad (3)$$