4.2.14. Определите силу давления бревен массы $m$ на стенки канала. Верхнее бревно погружено в воду наполовину, а нижнее касается верхним участком поверхности воды. Бревна одинаковы.
К задаче $4.2.14$
Решение
Анализ сил
1. Геометрический анализ
Рассмотрим прямоугольный треугольник, образованный центрами бревен (см. правый рисунок). Гипотенуза равна $2R$ (сумма радиусов двух бревен), а вертикальный катет равен $R$ (так как верхнее бревно погружено ровно наполовину, а нижнее лишь касается поверхности). Тогда косинус угла $\theta$ между линией центров и вертикалью: $$\cos\theta = \frac{R}{2R} = 0,5$$ Отсюда $\theta = 60^\circ$.
2. Силы, действующие на нижнее бревно
Запишем второй закон Ньютона для нижнего (полностью погруженного) бревна в проекциях на оси. На ось $x$: $$N = N_t \sin\theta \quad (1)$$ где $N$ — искомая сила реакции стенки, $N_t$ — сила взаимодействия между бревнами. На ось $y$: $$F_{A1} = mg + N_t \cos\theta$$ Так как бревно погружено полностью, сила Архимеда $F_{A1} = \rho_w g V$, где $V$ — объем бревна: $$\rho_w g V = mg + N_t \cos\theta \quad (2)$$
3. Силы, действующие на верхнее бревно
Запишем уравнения для верхнего (наполовину погруженного) бревна. На ось $x$ уравнение аналогично (из-за симметрии силы давления на левую и правую стенки равны): $$N = N_t \sin\theta$$ На ось $y$: $$F_{A2} + N_t \cos\theta = mg$$ Так как верхнее бревно погружено ровно наполовину, сила Архимеда $F_{A2} = \rho_w g \frac{V}{2}$: $$\rho_w g \frac{V}{2} + N_t \cos\theta = mg \quad (3)$$
4. Решение системы уравнений
Выразим $\rho_w g V$ из уравнения $(2)$ и подставим в $(3)$, предварительно разделив его пополам: $$\frac{mg + N_t \cos\theta}{2} + N_t \cos\theta = mg$$ Умножим обе части на $2$: $$mg + N_t \cos\theta + 2N_t \cos\theta = 2mg$$ $$3N_t \cos\theta = mg \implies N_t = \frac{mg}{3 \cos\theta} \quad (4)$$ Подставим полученное выражение $(4)$ в уравнение $(1)$: $$N = \frac{mg}{3 \cos\theta} \sin\theta = \frac{mg}{3} \tan\theta$$ Так как $\theta = 60^\circ$, то $\tan\theta = \sqrt{3}$. Получаем итоговую силу давления: $$N = \frac{mg}{3} \sqrt{3} = \frac{mg}{\sqrt{3}}$$
Примечание: По третьему закону Ньютона, сила, с которой бревна давят на стенки, равна по модулю силе реакции опоры $N$.