ID: 00022521
Какую минимальную работу необходимо совершить для равномерного вертикального перемещения под водой на высоту $5$ м сплошной мраморной плиты объёмом $1\ \text{м}^3$? Сопротивлением движению пренебречь.
Источник: ФИПИ
Плиту поднимают под водой равномерно (без ускорения). На неё действуют три силы: вниз тянет сила тяжести, вверх выталкивает сила Архимеда и вверх же — наша тянущая сила. Раз движение равномерное, наша сила ровно компенсирует «перевес» тяжести над выталкиванием. Найдём этот перевес, а через него — работу.
Плита целиком под водой, поэтому сила Архимеда считается по всему её объёму. Возьмём плотность воды $\rho_{\text{в}}=1000\ \text{кг/м}^3$:
$$F_{\text{арх}}=\rho_{\text{в}}gV=1000\cdot10\cdot1=10000\ \text{Н}$$
Сила тяжести тянет плиту вниз. Плотность мрамора $\rho_{\text{м}}=2700\ \text{кг/м}^3$, масса — плотность на объём:
$$F_{\text{тяж}}=\rho_{\text{м}}Vg=2700\cdot1\cdot10=27000\ \text{Н}$$
Чтобы плита шла вверх равномерно, тянуть надо с силой, равной разнице тяжести и выталкивания:
$$F=F_{\text{тяж}}-F_{\text{арх}}=27000-10000=17000\ \text{Н}$$
Осталась работа. Работа — это сила, умноженная на путь. Поднимаем на $h=5$ м:
$$A=Fh=17000\cdot5=85000\ \text{Дж}$$
Заметь, что вода здорово помогает: без неё пришлось бы тянуть все $27000$ Н, а выталкивающая сила скинула нагрузку почти на треть.