Решение на момент правки #20342 от , автор Valter. Это не текущая версия.

Условие

4.2.14. Определите силу давления бревен массы на стенки канала. Верхнее бревно погружено в воду наполовину, а нижнее касается верхним участком поверхности воды. Бревна одинаковы.

К задаче $4.2.14$
К задаче

Решение

Анализ сил
Анализ сил

1. Геометрический анализ

Рассмотрим прямоугольный треугольник, образованный центрами бревен (см. правый рисунок). Гипотенуза равна (сумма радиусов двух бревен), а вертикальный катет равен (так как верхнее бревно погружено ровно наполовину, а нижнее лишь касается поверхности).
Тогда косинус угла между линией центров и вертикалью:

Отсюда .

2. Силы, действующие на нижнее бревно

Запишем второй закон Ньютона для нижнего (полностью погруженного) бревна в проекциях на оси.
На ось :

где — искомая сила реакции стенки, — сила взаимодействия между бревнами.
На ось :

Так как бревно погружено полностью, сила Архимеда , где — объем бревна:

3. Силы, действующие на верхнее бревно

Запишем уравнения для верхнего (наполовину погруженного) бревна.
На ось уравнение аналогично (из-за симметрии силы давления на левую и правую стенки равны):

На ось :

Так как верхнее бревно погружено ровно наполовину, сила Архимеда :

4. Решение системы уравнений

Выразим из уравнения и подставим в , предварительно разделив его пополам:

Умножим обе части на :


Подставим полученное выражение в уравнение :

Так как , то . Получаем итоговую силу давления:

Примечание: По третьему закону Ньютона, сила, с которой бревна давят на стенки, равна по модулю силе реакции опоры .

Ответ