4.2.12. Определите силу натяжения нити, связывающей два шарика объема 10 см³ каждый, если верхний шарик плавает, наполовину погрузившись в воду. Нижний шарик в три раза тяжелее верхнего.
К задаче $4.2.12$
Решение
Анализ сил
1. Уравнение для верхнего шарика На верхний шарик действуют сила тяжести $m_{\uparrow}g$, сила натяжения нити $T$ (направлена вниз) и выталкивающая сила Архимеда $F_{\uparrow}$ (направлена вверх). Так как шарик погружен ровно наполовину, сила Архимеда равна $F_{\uparrow} = \rho_0 g \frac{V}{2}$, где $\rho_0$ — плотность воды. Условие статического равновесия: $$m_{\uparrow} g + T = \rho_0 g \frac{V}{2} \quad (1)$$
2. Уравнение для нижнего шарика На нижний шарик действуют сила тяжести $m_{\downarrow}g$, сила натяжения нити $T$ (направлена вверх) и сила Архимеда $F_{\downarrow}$ (так как он погружен полностью, $F_{\downarrow} = \rho_0 g V$). Условие равновесия: $$m_{\downarrow} g = T + \rho_0 g V \quad (2)$$
3. Решение системы уравнений По условию задачи нижний шарик в три раза тяжелее верхнего, следовательно, $m_{\downarrow} = 3 m_{\uparrow}$. Выразим силу тяжести верхнего шарика из уравнения $(1)$: $$m_{\uparrow} g = \rho_0 g \frac{V}{2} - T \quad (3)$$
Разделим уравнение $(2)$ на уравнение $(3)$, учитывая соотношение масс ($m_{\downarrow} = 3 m_{\uparrow}$): $$\frac{3 m_{\uparrow} g}{m_{\uparrow} g} = \frac{\rho_0 g V + T}{\rho_0 g \frac{V}{2} - T}$$ $$3 = \frac{\rho_0 g V + T}{\rho_0 g \frac{V}{2} - T}$$
Решим полученное уравнение относительно силы натяжения $T$: $$3 \left( \rho_0 g \frac{V}{2} - T \right) = \rho_0 g V + T$$ $$\frac{3}{2} \rho_0 g V - 3T = \rho_0 g V + T$$ $$4T = \frac{1}{2} \rho_0 g V$$ $$T = \frac{\rho_0 g V}{8}$$