Пример 13. Два одинаковых сосуда имеют форму прямого круглого конуса с вертикальной осью; их расположение и размеры показаны на рис. 1. Оба сосуда наполнены водой и затем опорожняются через небольшие одинаковые круглые отверстия внизу.
Определить время опорожнения каждого сосуда и в какой момент времени вода в обоих сосудах будет на одном уровне, если их опорожнение началось одновременно.
Решение. Полагаем, что время
, за которое уровень воды в первом или во втором сосуде понизится на величину
, есть некоторая функция
и найдем ее дифференциал
при изменении
на величину
.

Рис. 1
Пусть понижению уровня воды в сосуде на малую величину
соответствует малое приращение времени
. Тогда, допуская, что в течение этого малого промежутка времени вода вытекает из сосуда с постоянной скоростью, равной
, найдем, что объем воды, вытекшей за время
через отверстие в дне площадью
, будет
.
За это же время
объем воды в сосуде уменьшится на величину
, которая должна быть равна объему вытекшей воды
. Отсюда, из равенства
, получим

Время
полного опорожнения первого или второго сосуда получим, интегрируя
в пределах от
до
:

Для вычисления этого интеграла выразим переменную
через переменную
.
Из подобия треугольников
и
имеем:
а) для первого сосуда
б) для второго сосуда 
Поэтому время
полного опорожнения первого сосуда будет

Время
полного опорожнения второго сосуда выражается интегралом

Вводя новую переменную
, имеем:
при
при
;

Подставляя найденное значение интеграла, получим 
Сопоставив
и
, взяв их отношение
, заключаем, что первый сосуд опорожняется значительно (почти в три раза) быстрее второго. При этом, если опорожнение сосудов начинается одновременно, то в начале процесса уровень воды в первом сосуде будет выше, чем во втором, затем наступит момент, когда уровни воды в обоих сосудах сравняются, после чего уровень воды в первом сосуде будет неизменно и все более ниже, чем во втором.
Для определения времени, спустя которое после начала одновременного опорожнения сосудов вода в них будет на одном уровне, найдем зависимость времени
истечения воды от величины
понижения ее уровня для каждого сосуда.
Интегрируя
в пределах от
до
, получим:
а) для первого сосуда
![\displaystyle t=b\int_{0}^{x}(H-x)^{\frac{3}{2}}dx=\frac{2}{5}b(H-x)^{\frac{5}{2}} \left.\begin{matrix} \\ \\ \end{matrix}\right| _{x}^{0}=\frac{2}{5}b\left [ H^{\frac{5}{2}}-(H-x)^{\frac{5}{2}} \right ],](https://math-helper.ru/wp-content/plugins/latex/cache/tex_ca0da7bb30f7c331e068676fe7115d39.gif)
где

б) для второго сосуда
![\displaystyle t=b\int_{0}^{H}\frac{x^{2}dx}{\sqrt{H-x}}=b\int_{H-x}^{H}(H^{2}z^{-\frac{1}{2}}-2Hz^{\frac{1}{2}}+z^{\frac{3}{2}})dz=b\left ( 2H^{2}z^{\frac{1}{2}}-\frac{4}{3}Hz^{\frac{3}{2}}+\frac{2}{5}z^{\frac{5}{2}} \right ) \left.\begin{matrix} \\ \\ \end{matrix}\right| _{H-x}^{H}=b\left \{ 2H^{2}\left [ H^{\frac{1}{2}}-(H-x)^{\frac{1}{2}} \right ]-\frac{4}{3}H\left [ H^{\frac{3}{2}}-(H-x)^{\frac{3}{2}} \right ]+\frac{2}{5}\left [ H^{\frac{5}{2}}-(H-x)^{\frac{5}{2}} \right ] \right \}.](https://math-helper.ru/wp-content/plugins/latex/cache/tex_fce8021efd94812b44db65e9b91edf9a.gif)
Рассматривая полученные зависимости
от
для первого и второго сосудов как уравнения с искомыми неизвестными
и
и решая их как систему (исключая
), найдем:
![\displaystyle \frac{2}{5}\left [ H^{\frac{5}{2}}-(H-x)^{\frac{5}{2}} \right ]=2H^{2}\left [ H^{\frac{1}{2}}-(H-x)^{\frac{1}{2}} \right ]-\frac{4}{3}H\left [ H^{\frac{3}{2}}-(H-x)^{\frac{3}{2}} \right ]+\frac{2}{5}\left [ H^{\frac{5}{2}}-(H-x)^{\frac{5}{2}} \right ];](https://math-helper.ru/wp-content/plugins/latex/cache/tex_b3b7c6628472a9954ad7c14de815279d.gif)
![\displaystyle H\left [ H^{\frac{1}{2}}-(H-x)^{\frac{1}{2}} \right ]-\frac{2}{3}\left [ H^{\frac{3}{2}}-(H-x)^{\frac{3}{2}} \right ]=0;](https://math-helper.ru/wp-content/plugins/latex/cache/tex_931d1b0182b4615abf86b17ce0b92d23.gif)
По найденному значению
из первого (или второго) уравнения определяем
:
![\displaystyle t=\frac{2}{5}bH^{\frac{5}{2}}\left [ 1-\left ( 1-\frac{\sqrt{3}}{2} \right )^{\frac{5}{2}} \right ].](https://math-helper.ru/wp-content/plugins/latex/cache/tex_3c445d872dd270ccb64894edd9c95fae.gif)
По истечении этого промежутка времени
после начала одновременного опорожнения обоих сосудов вода в них будет на одном уровне

Пример 14. Определить массу шара радиуса
, если плотность в каждой его точке пропорциональна расстоянию ее от центра шара.
Решение. Пусть масса шара произвольного радиуса
есть некоторая функция
.
При увеличении
на малую величину
объем
этого шара увеличится на величину
, равную разности объемов шаров с радиусами
и
:
![\displaystyle \Delta v=\frac{4}{3}\pi\left [ (x+dx)^{3}-x^{3} \right ] =\frac{4}{3}\pi (3x^{2}dx+3xdx^{2}+dx^{3})\approx 4\pi x^{2}dx=dv.](https://math-helper.ru/wp-content/plugins/latex/cache/tex_35575b6cabbc58fab357fe308e0a6d75.gif)
Допуская, что во всех точках малого объема
плотность остается неизменной и равной
, найдем приближенную величину его массы
.
Искомую массу
шара радиуса
получим, интегрируя
в пределах от
до
:


