Если бы был рисунок, то можно было бы прочертить горизонтальный уровень по нижней границе масла. Всё что ниже - только вода, значит она уравновешивает друг друга в левом и правом коленах. То есть всё, что ниже нижней границы масла - просто игнорируем, это нас не интересует. Совсем не интересует.
Ок, но что же происходит выше этого уровня? В правом колене масло, и только масло. Значит какая-то вода выше нашего уровня в левом должна уравновесить давление масла, ага? Следишь за мыслью?
Давай-ка, зная высоту слоя масла, применим формулу давления, и поймём что у нас с давлением. Кста, у тебя не сказана плотность масла, поэтому я на своё усмотрение приму его 900 кг/м3, ладно? Если плотность другая, то пересчитай сама.
p = ro * g * h = 900 * 10 * 0,15 = .1350 Па.
Теперь смотрим логически - это давление масла должно быть уравновешено дополнительным уровнем воды в левом колене. Какой же будет высота дополнительной воды? Применяем эту же формулу наоборот. h = p / (ro * g) = 1350 / ( 1000 * 10 ) = 0,135 м = 13,5 см.
Упс. Внезапно нарисовался ответ. Выше уровень масла (ибо 15 см > 13,5 см, верно?) Он выше на 15 - 13,5 = 1,5 см
Ок, но что же происходит выше этого уровня? В правом колене масло, и только масло. Значит какая-то вода выше нашего уровня в левом должна уравновесить давление масла, ага? Следишь за мыслью?
Давай-ка, зная высоту слоя масла, применим формулу давления, и поймём что у нас с давлением. Кста, у тебя не сказана плотность масла, поэтому я на своё усмотрение приму его 900 кг/м3, ладно? Если плотность другая, то пересчитай сама.
p = ro * g * h = 900 * 10 * 0,15 = .1350 Па.
Теперь смотрим логически - это давление масла должно быть уравновешено дополнительным уровнем воды в левом колене. Какой же будет высота дополнительной воды? Применяем эту же формулу наоборот.
h = p / (ro * g) = 1350 / ( 1000 * 10 ) = 0,135 м = 13,5 см.
Упс. Внезапно нарисовался ответ.
Выше уровень масла (ибо 15 см > 13,5 см, верно?)
Он выше на 15 - 13,5 = 1,5 см
Составляем уравнение 2-го закона динамики в проекциях на две координатные оси.
OX: F - Fтр. - gmx = 0 (1)
OY: T - gmy = 0 (2)
где:
F - сила тяги тепловоза, направлена вдоль наклонной плоскости
Fтр. - сила трения
gmx - проекция силы тяжести на ось ОХ
Т - реакция опоры
gmy - проекция силы тяжести на ось ОУ
gmx = gm*sin α
gmy = gm*cos α
T - gm*cos α = 0
T = gm*cos α
Fтр. = μT = μgm*cos α, подставляем в уравнение (1) и получаем
F - μgm*cos α - gm*sin α = 0 =>
F = gm*(μ*cos α + sin α)
N = F*u => N = u*gm*(μ*cos α + sin α)
Теперь поговорим об уклоне. Уклон - это отношение катета противолежащего острому углу прямоугольного треугольника к катету прилежащему к этому углу, другими словами уклон - тангенс угла наклона наклонной плоскости, т. е. tg α = a.
Т. к. уклоны малы, углы наклона менее 5°, а при таких углах sin α ≈ tg α, это пригодится в будущем.
Немного математики:
tg α = sin α / cos α => cos α = sin α / tg α
μ*cos α + sin α = μ*sin α / tg α + sin α = sin α / tg α * (μ + tg α) = μ + a
синус и тангенс сократились, т. к. равны, а tg α = а (уклон)
N = u*gm*(μ + a)
η = N / Nmax * 100 %
η₁ = N₁ / Nmax * 100 %
η₂ = N₂ / Nmax * 100 %
η₁ = u₁*gm*(μ + a₁) / Nmax * 100 % =>
Nmax = u₁*gm*(μ + a₁) / η₁ * 100 % (3)
η₂ = u₂*gm*(μ + a₂) / Nmax * 100 % =>
Nmax = u₂*gm*(μ + a₂) / η₂ * 100 % (4)
Приравниваем (3) и (4)
u₁*gm*(μ + a₁) / η₁ * 100 % = u₂*gm*(μ + a₂) / η₂ * 100 %
η₁*u₁(μ + a₁) = η₂*u₂(μ + a₂)
μ = (η₂*u₁*a₁ - η₁*u₂*a₂) / (η₁*u₂ - η₂*u₁) =
= (0,40*20,8 м/с*0,006 - 0,80*16,7 м/с*0,003) / (0,80*16,7 м/с - 0,40*20,8 м/с) = (0,050 - 0,040)/(13,4 - 8,32) = 0,002
Справка: коэффициент трения качения стального колеса по стали (0,001 - 0,05) ответ укладывается в диапазон.
Из уравнения (3) вычисляем:
Nmax = 9,81 м/с²*3*10⁶ кг*20,8 м/с*(0,002 + 0,006) / 0,80 =
= 6,12*10⁶ Вт = 6,12 МВт ≈ 8300 л. с.