Из воды медленно с постоянной скоростью вытаскивают бетонный блок объемом 0,5м³. Когда под водой осталось 40% всего объема блока, трос оборвался. Определить предельное натяжение, которое выдерживает трос.
Предел натяжения троса будет зависеть от плотности бетона. Она может быть различной. Вам нужно будет просто подставить то значение плотности, которое вы обычно используете в задачах.
Дано:
V = 0,5 м³
p_min = 40%
ρ₁ = ваше значение плотности бетона
ρ₂ = 1000 кг/м³ - плотность воды
g = 10 Н/кг
T_max - ?
Блок вытаскивают медленно - это значит, что сила, которую прикладывают для этого, должна быть равна по модулю весу блока, равному разности силы тяжести и силы выталкивания (Архимедовой силы), которые действуют на блок. Кроме того, эта сила передаётся тросу по Третьему закону Ньютона. То есть сила натяжения троса Т равна по модулю весу блока P и должна уравновешивать силу тяжести mg и силу выталкивания Fa:
T = P = mg - Fa
Пока блок поднимается в воде, трос выдерживает его вес. Выдерживает трос и тогда, когда под водой остаётся 40% объёма блока. В этот момент блок весит больше. Он вообще начинает весить больше, как только объём погруженной его части начинает уменьшаться. Что это значит. Дело в том, что на остальную часть блока (100% - 40% = 60%), т.к. она находится уже не в воде, сила Архимеда не действует. А действующая на нижнюю часть блока сила Архимеда является предельной, т.к. при такой и только такой выталкивающей силе трос ещё выдерживает предельное натяжение.
Распишем подробно уравнение для T_max:
T_max = mg - Fa_min
m = ρ₁*V
Fa_min = ρ₂*g*V_min, где V_min - это минимальный объём погруженной части, при котором трос ещё может выдержать вес блока.
V_min = (V/100)*p_min => Fa = ρ₂*g*(V/100)*p_min, где p_min - это минимальный процент объёма всего блока, который остаётся погруженным в воду, и при этом трос ещё может выдержать вес блока.
T_max = V*g*(ρ₁ - ρ₂*p_min/100) - предельное натяжение троса будет зависеть от плотности бетона: чем больше плотность бетона ρ₁, тем больше будет T_max - это при неизменном условии, что трос рвётся, когда под водой остаётся 40% объёма блока.
Я приведу решение с плотностью 2500 кг/м³. Если у вас другое значение, то просто подставьте его вместо ρ₁ в конечной формуле.
Предел натяжения троса будет зависеть от плотности бетона. Она может быть различной. Вам нужно будет просто подставить то значение плотности, которое вы обычно используете в задачах.
Дано:
V = 0,5 м³
p_min = 40%
ρ₁ = ваше значение плотности бетона
ρ₂ = 1000 кг/м³ - плотность воды
g = 10 Н/кг
T_max - ?
Блок вытаскивают медленно - это значит, что сила, которую прикладывают для этого, должна быть равна по модулю весу блока, равному разности силы тяжести и силы выталкивания (Архимедовой силы), которые действуют на блок. Кроме того, эта сила передаётся тросу по Третьему закону Ньютона. То есть сила натяжения троса Т равна по модулю весу блока P и должна уравновешивать силу тяжести mg и силу выталкивания Fa:
T = P = mg - Fa
Пока блок поднимается в воде, трос выдерживает его вес. Выдерживает трос и тогда, когда под водой остаётся 40% объёма блока. В этот момент блок весит больше. Он вообще начинает весить больше, как только объём погруженной его части начинает уменьшаться. Что это значит. Дело в том, что на остальную часть блока (100% - 40% = 60%), т.к. она находится уже не в воде, сила Архимеда не действует. А действующая на нижнюю часть блока сила Архимеда является предельной, т.к. при такой и только такой выталкивающей силе трос ещё выдерживает предельное натяжение.
Распишем подробно уравнение для T_max:
T_max = mg - Fa_min
m = ρ₁*V
Fa_min = ρ₂*g*V_min, где V_min - это минимальный объём погруженной части, при котором трос ещё может выдержать вес блока.
V_min = (V/100)*p_min => Fa = ρ₂*g*(V/100)*p_min, где p_min - это минимальный процент объёма всего блока, который остаётся погруженным в воду, и при этом трос ещё может выдержать вес блока.
Выходит, что:
T_max = ρ₁*V*g - ρ₂*g*(V/100)*p_min = V*g*(ρ₁ - ρ₂*p_min/100)
T_max = V*g*(ρ₁ - ρ₂*p_min/100) - предельное натяжение троса будет зависеть от плотности бетона: чем больше плотность бетона ρ₁, тем больше будет T_max - это при неизменном условии, что трос рвётся, когда под водой остаётся 40% объёма блока.
Я приведу решение с плотностью 2500 кг/м³. Если у вас другое значение, то просто подставьте его вместо ρ₁ в конечной формуле.
T_max = V*g*(ρ₁ - ρ₂*p_min/100) = 0,5*10*(2500 - 1000*40/100) = 5*(2500 - 400) = 5*2100 = 10500 Н = 10,5 кН
ответ: 10,5 кН.