AI摘要 :
本文介绍旋转圆桶中液面呈抛物线的压力差证法,通过外侧液体压强提供向心力推导出抛物线方程。
今天看到个题感觉很有意思:
一半径为R的圆桶中盛有水,水面低于圆筒的顶部。当它以角速度ω绕竖直轴旋转时,水面呈平面还是抛物线?试证之。
很贴切生活的一道题,根据生活经验,毫无疑问是抛物线。但是如何证明呢?
既然是旋转,那总有力来提供向心力。外侧液面高,根据压强公式ρgh,h越大,压强就越大,外侧液面高,对内测低液面的部分的压强就是用来提供向心力的力。
其中
$$ y_2-y_1=dy $$
外侧压力提供向心力
$$\rho gdyS=mx\omega^2$$$$m=\rho Sdx$$
上两式联立
$$ gdy=\omega^2xdx $$
液面最低处为0,从此处积分
$$ \int_{0}^{y}dy=\frac{\omega^2}{g}\int_{0}^{x}xdx $$
$$ y=\frac{\omega^2}{2g}x^2 $$
得到的结果和网上查到的一致,但是目前并没有看到这种解法。
链接中的三个解法是最常见的,搜到的也都是这三个中的一个,有用势能去平衡,有平衡压强来求解,也有通过受力分析去解决。其中受力分析中的水平方向的部分单拎出来细说,就是上面的求解过程。