Задача по механике №36

В гладкий высокий стакан радиусом 4 см поставили однородную алюминиевую палочку длиной 10 см и массой 0,9 г, после чего в стакан налили до высоты h = 4 см воду. Найдите модуль силы F  , с которой верхний конец палочки давит на стенку стакана. Сделайте рисунок с указанием сил, действующих на палочку. Какие законы Вы используете для решения задачи? Обоснуйте их применение.

PIC

Обоснование

1. Введем инерциальную систему отсчета (ИСО) связанную с Землей.

2. Описываем спицу моделью твердого тела (форма и размеры тела неизменны, расстояние между любыми двумя точками тела остаётся неизменным).

3. Движение твердого тела можно описать совокупностью движений — поступательного и вращательного. Поэтому для равновесия твердого тела в ИСО необходимо два условия. Одно для поступательного движения, другое — для вращательного движения.

4. Сумма всех приложенных к твёрдому телу внешних сил равна нулю (условие равновесия твёрдого тела относительно поступательного движения). Также применимо правило моментов (условие равновесия твёрдого тела относительно вращательного движения).

5. Так как поверхность гладкая, то трение отсутствует и на доску действует сила реакции опоры со стороны дна сосуда направленная перпендикулярно поверхности, также действует сила реакции опоры, направленная со со стороны левой стенки вправо.

Решение

1. Найдем высоту палочки, относительно дна стакана

              ∘ ------------------- H = ∘l2−-4R2-=  0,01 м2 − 4 ⋅0,0016 м2 = 0,06 м

где l  – длина палочки, R  – радиус стакана.
2. Сделаем рисунок с изображением всех сил, действующих на палочку.

PIC

3. Найдем силу Архимеда, действующую на палочку. Палочка погружена в жидкость на h- H  от своего объема, то есть

          ( h- )   ρж-mgh- F Арх = ρжg H V  =  ρ  H

где V  – объем тела, ρ  – плотность палочки, ρж  – плотность жидкости.
4. Запишем правило моментов, относительно оси, проходящей перпендикулярно рисунку через точку приложения сил F2  и F1  .

          (h    ) mgR − Fарх 2ctgα  − NH = 0

Выразим силу реакции опоры. С учетом третьего закона Ньютона она будет равна силе давления палки на стенку сосуда.

      R       ( h     )     R (    ρж( h )2) N = mgH- − Fарх 2H-ctgα = mg H- 1 − ρ-- H-    =

                             (                      )                        0,04 м     1000 кг/м3 (0,04 м )2       −3 F = N = 0,0009 кг⋅10 Н/кг0,06 м 1 − 2700-кг/м3 0,06 м    ≈ 5⋅10  Н

Оцените статью
Я решу все!