На картинке (см. рис.) представлен вертикальный разрез полиэтиленовой трубы, подвешенной снизу к жесткому тонкому горизонтальному стержню A. Труба идеально гибкая и полностью заполнена водой. Длина этой трубы и стержня много больше их поперечных размеров, концы трубы герметично закрыты (заклеены). Определите давление в самой нижней точке (B), если расстояние
AB — l. Плотность воды — ускорение свободного падения — g, атмосферное давление — p0.
Всю задачу можно решать как двумерную: краевыми эффектами на концах трубы пренебрежем из интуитивный соображений (труба очень длинная, происходящее на концах не сильно скажется на середине трубы); тогда все сечения, достаточно далекие от концов, практически одинаковы, а значит оболочку в интересующей нас области можно считать цилиндрической, то есть ее можно представить образуемой множеством прямых, перпендикулярных рисунку, проходящих через кривую, изображающую оболочку на рисунке. Отсюда ясно, что силы натяжения оболочки, направленные не в плоскости рисунка, никак не стремятся сдвинуть оболочку в плоскости рисунка. Интересны только силы в плоскости рисунка. Рассматривая кусок трубы размером D “вглубь рисунка”, мысленно вырезанный двумя плоскостями, параллельными рисунку, что мы и будем всегда иметь в виду дальше в решении; можем думать об оболочке, как об идеальной нити, а о задаче как о двумерной.
Оболочка везде имеет одинаковое натяжение. Почему? В направлении вдоль оболочки (по касательной к ней) никаких сил, кроме сил натяжения самой оболочки, нет. (Сила тяжести самой оболочки пренебрежимо мала, поскольку оболочка легкая, а сила давления жидкости перпендикулярна оболочке). Если бы натяжение вдоль оболочки не было везде одинаковым, то на какой-то конкретный небольшой участок оболочки действовали на концы разные силы натяжения, суммарная сила была бы ненулевой, а поскольку оболочка легкая (безмассовая), то это бы стало причиной бесконечно большого ускорения вдоль себя, а бесконечного ускорения нет, оно вообще нулевое.
Найдем силу натяжения оболочки T (она, конечно, одинакова на единицу длины трубы, перпендикулярной плоскости рисунка). Всё висит на двух листках оболочки, примыкающих слева и справа к стержню, на который всё подвешено (вверху картинки). Из условия известно, что оболочка там вертикальна, а значит и сила натяжения оболочки направлена там вертикально, следовательно, 2T = вес воды в оболочке в куске трубы (силой давления воды на стержень снизу мы пренебрегли, поскольку стержени очень узкий). Поскольку объем нашего куска будет равен площади его сечения S, умноженной на D, а масса m — произведению объема и плотности, вес же равен mg, то
Разделим (мысленно) объем оболочки горизонтальной плоскостью там, где стенки оболочки висят вертикально (на рисунке это отрезок JK, обозначим его длину через a). Весь криволинейный кусок JBK висит на двух стенках оболочки J и K. Это значит, что две силы натяжения оболочки (по T каждая) уравновешивают все силы, действующие на JBK вниз, а именно вес всей воды в фигуре JBK плюс давление воды сверху на плоскость, изображаемую отрезком JK. Вес жидкости (WJBK) внутри JBK рассчитаем аналогично весу всего
JBK: а давление на глубине точки J везде одинаково, поэтому сила давления равна произведению этого давления и площади — DapJ, поэтому записываем условие равновесия так:
Подставим в это уравнение 2T: Теперь выразим pJ: Теперь осталось добавить к этому давлению гидростатическое давление (за счет разности глубины B и J) и атмосферное давление p0, поскольку мы его пока "принимали за ноль отсчета давлений" (т. е. на самом деле не учли то, что оно действует снизу на JBK. Тем самым, мы должны были бы добавить его уже в правую часть формулы для pJ).
Получаем ответ:
Учитывая, что 40 клеток = |AB| = l, то hB − hJ = 11 клеток = 0,275l, a = 20 клеток = 0,5l. Также, по клеточкам:
Ответ: