Нужно построить деревянный плот из бревен цилиндричной формы диаметром 30 см и длиной 2 метра. Сколько надо взять бревен, чтобы человек массой 80 кг мог стать и не замочить ноги?
Ответы
Предположим, что в качестве дерева упоминается сосна с плотностью 400 кг/м³.
Если решать подробно:
Результирующая силы тяжести, действующей на плот, и выталкивающей силы, действующей на него же при погружении в воду, должна быть направлена противоположно силе тяжести и по величине должна быть больше, чем вес плота в сумме с весом человека:
F(p) > F(т.пл.) + F(т.чел.) = ρgV + mg, где:
ρ = 400 кг/м³ - плотность сосны
g = 9,8 H/кг - ускорение своб. падения
V = nV₁ - объем плота
m = 80 кг - масса человека.
В формуле объема плота: V₁ = πR²h = πd²h/4 - объем одного бревна
d = 0,3 м - диаметр плота
h = 2 м - длина плота
n - количество бревен в плоте.
Выталкивающая сила, действующая на одно бревно при полном погружении его в воду:
F(a)₁ = ρ(в)gV₁ = 1000 · 9,8 · 3,14 · 0,3² · 2 : 4 ≈ 1385 (Н)
Вес одного бревна:
F(т.)₁ = ρgV₁ = 400 · 9,8 · 3,14 · 0,3² · 2 : 4 ≈ 554 (Н)
Результирующая этих двух сил (грузоподъемность одного бревна):
F(p)₁ = F(a)₁ - F(т.)₁ = 1385 - 554 = 831 (Н)
Вес человека:
F(т.чел) = mg = 80 · 9,8 = 784 (Н)
Так как F(p)₁ > F(т.чел), то, теоретически, даже стоя на одном бревне человек не замочит ног...)) Однако, стоять на одном бревне, погруженном в воду, умудряясь при этом не замочить ног, в реальности сможет только цирковой артист..))
Поэтому минимальное количество, скорее всего, 2 бревна.
=====================
Можно решить проще.
Объем одного бревна: V₁ = πd²h/4 = 3,14 · 0,09 · 2 : 4 = 0,1413 (м³)
Грузоподъемность одного бревна при полном погружении его в воду:
P₁ = (ρ(в) - ρ(c))gV₁, где:
ρ(в) = 1000 кг/м³ - плотность воды
ρ(с) = 400 кг/м³ - плотность сосны
g = 9,8 H/кг - ускорение своб. падения
V₁ = 0,1413 м³ - объем бревна.
Тогда:
P₁ = (1000 - 400) · 9,8 · 0,1413 ≈ 831 (Н)
Вес человека:
F(т.чел) = mg = 80 · 9,8 = 784 (Н)
Ну и вывод тот же. Даже одно такое бревно способно выдержать вес человека, массой 80 кг, не погружаясь при этом в воду целиком, т.е. человек не замочит при этом ног, если умудрится удержаться на нем..))
Ну и, понятное дело, чем больше бревен в плоте, тем устойчивее вся конструкция.
================================
В том случае, если в качестве дерева подразумевается, скажем, дуб с плотностью 700 кг/м³, то грузоподъемность одного бревна:
P₁ = (1000 - 700) · 9,8 · 0,1413 ≈ 415 (Н)
То есть для человека массой 80 кг необходимо будет взять в состав плота, минимум, два дубовых бревна:
2 · 415 = 830 > 784