Правка разделов «Условие», «Решение», «Альтернативное решение»

Valter правка от
правка #20346 предыдущая #14685 ← раньше
@@ -1,15 +1,49 @@
### Условие
−$4.2.11.$ С какой силой давит тяжелая палочка на дно водоема, если жестко связанный с палочкой пустотелый шарик радиуса r погрузился в жидкость наполовину? Плотность жидкости ρ, длина палочки l.
+$4.2.11.$ С какой силой давит тяжелая палочка на дно водоема, если жестко связанный с палочкой пустотелый шарик радиуса $r$ погрузился в жидкость наполовину? Плотность жидкости $\rho$, длина палочки $l$.
+![К задаче $4.2.11$|267x155, 50%](../../img/4.2.11/Снимок экрана 2026-08-26 194904.png)
+
### Решение
−![К задаче $4.2.11$ |3160x2370, 31%](../../img/4.2.11/scan-0.png)
+![Анализ сил|297x235, 50%](../../img/4.2.11/Снимок экрана 2026-08-26 194908.png)
+Система находится в равновесии, поэтому сумма моментов всех сил равна нулю ($\sum \vec{\tau} = 0$). Выберем в качестве оси вращения центр масс палочки (находящийся на расстоянии $l/2$ от дна вдоль палочки).
+Считаем, что шарик имеет массу $m_b$, а силу Архимеда обозначим как $F_A$. Запишем уравнение моментов:
+$$F_A \left(\frac{l}{2} + r\right) \cos\alpha - m_b g \left(\frac{l}{2} + r\right) \cos\alpha - N \frac{l}{2} \cos\alpha = 0$$
+Разделим обе части на $\cos\alpha$:
+$$F_A \left(\frac{l}{2} + r\right) - m_b g \left(\frac{l}{2} + r\right) - N \frac{l}{2} = 0$$
−#### Ответ
+Так как шарик погружен наполовину, выталкивающая сила $F_A = \rho g \frac{V}{2}$, где объем шара $V = \frac{4}{3}\pi r^3$.
+Массу шарика можно выразить через его плотность $m_b = \rho_0 V$. Подставим это в уравнение:
+$$\rho g \frac{V}{2} \left(\frac{l}{2} + r\right) - \rho_0 g V \left(\frac{l}{2} + r\right) - N \frac{l}{2} = 0$$
+Выразим силу реакции опоры $N$:
+$$N = \frac{2\pi r^3 g}{3} \left(1 + 2\frac{r}{l}\right) (\rho - 2\rho_0)$$
−F=2/3πr^3ρg(1+2r/l).
+Поскольку по условию шарик <i>пустотелый</i> (его массой можно пренебречь), принимаем $\rho_0 = 0$. Тогда:
+$$N = \frac{2}{3}\pi r^3 \rho g \left(1 + 2\frac{r}{l}\right)$$
+---
+### Альтернативное решение
+
+Выберем в качестве оси вращения точку касания палочки с дном водоема. Запишем уравнение моментов ($\sum \vec{\tau} = 0$), пренебрегая массой пустотелого шарика:
+$$F_A (l + r) \cos\alpha - m_s g \frac{l}{2} \cos\alpha = 0$$
+где $m_s$ — масса палочки.
+Из этого уравнения легко найти массу палочки:
+$$m_s = \frac{2 F_A (l + r)}{g l} = \frac{2 \left(\rho g \frac{V}{2}\right) (l + r)}{g l} = \rho V \left(1 + \frac{r}{l}\right) \quad (1)$$
+
+Теперь применим второй закон Ньютона для проекций сил на вертикальную ось:
+$$F_A + N = m_s g$$
+$$\rho g \frac{V}{2} + N = m_s g \quad (2)$$
+
+Подставим массу палочки из $(1)$ в $(2)$ и выразим $N$:
+$$N = \rho V g \left(1 + \frac{r}{l}\right) - \rho g \frac{V}{2} = \rho g V \left(\frac{1}{2} + \frac{r}{l}\right) = \frac{\rho g V}{2} \left(1 + 2\frac{r}{l}\right)$$
+Подставляя объем шара $V = \frac{4}{3}\pi r^3$, получаем тот же результат:
+$$N = \frac{2}{3}\pi r^3 \rho g \left(1 + 2\frac{r}{l}\right)$$
+
+<i>Примечание: По третьему закону Ньютона, искомая сила давления $F$ равна по модулю силе реакции опоры $N$.</i>
+
+#### Ответ
+$$F = \frac{2}{3}\pi r^3 \rho g \left(1 + \frac{2r}{l}\right)$$