Logo
Logo

Архимед в черном ящике

A0  ?? Если для решения задачи вы используйте Excel-таблицу, загрузите ее как решение к этому пункту. Все действия выполненные в таблице должны быть описаны в решении.

A1  1.00 Какая из фигур опущена в стакан?

За время $dt$ уровень воды в стакане увеличивается на $dh = \mu dt / (\pi R^2 - S)$, где $S$ – площадь сечения фигуры на текущей высоте. То есть
\[\dot{h} = \frac{\mu}{\pi R^2 - S}\]По ходу поднятия уровня воды сечение шара сначала увеличивается, а потом уменьшается. Сечение конуса только увеличивается. На графике $h$ от $t$ явно видно, что производная сначала увеличивается, потом уменьшается. При этом излом связан с началом провисания.

A2  1.50 Касается ли фигура дна? Если между нижним краем и дном есть зазор, чему он равен?

На графике виден начальный участок длиной порядка $h_0=4~см$. Зазор определенно есть, и он примерно такого размера. Более точное значение будет найдено позже.

Ответ: \[ h_0 = 4.2~см \]
A3  1.00 Радиус основания стакана $R$.

Коэффициент наклона графика $h$ от $t$ на начальном и конечном участке равен
\[ \frac{\mu}{\pi R^2} = 4.5 \cdot 10^{-3} ~см/с\]Отсюда $R = 8.4~см$

A4  4.00 Геометрический размер $a$ помещенного в стакан объекта: радиус шара или радиус основания конуса.

Когда уровень воды проходит через центр шара
\[ \dot{h} = \frac{\mu}{\pi R^2 - \pi a^2},\]поэтому задача нахождения $a$ сводится к аккуратному вычислению производной у шумных данных. Предлагается сначала сглаживать данные, усредняя значения по соседним ячейкам.

Затем вычисляем производную снова с некоторым расстоянием между точками, чтобы дополнительно сгладить данные

В итоге имеем такой график зависимости $\dot{h}$ от $h$, который имеет явно различимый максимум $\dot{h}_\mathrm{max} = 0.0444~см/c$ при $h_\mathrm{max}=12.2~см$.

Вычислим $a=8.0~см$, $h_0=h_\mathrm{max}-a=4.2~см$.

A5  1.00 Момент времени $t_0$, когда нить начинает провисать.

Построим график $\dot{h}$ по теоретической формуле, считая, что нить никогда не провисает, и полученным параметрам. Видно, что значительное отличие теории от эксперимента начинается с $h=15.1~см$. Этому моменту и соответствует начало провисания, $t_0=1680~с$.

A6  1.50 Постройте график зависимости силы Архимеда, действующей на фигуру, от времени.

Вернемся к формуле
\[dh (\pi R^2 - S) = \mu dt\]Учитывая, что $dV=S dh$, где $V$ – погруженной в воду объем, получим
\[dV = \pi R^2 dh - \mu dt, \quad \Rightarrow \quad V = \pi R^2 h -\mu t\]Сила Архимеда тогда
\[F_A = \rho g (\pi R^2 h - \mu t)\]