а) В исходном положении на правую чашу весов действуют вес сосуда с водой P и натяжение нити
Fн = mg
где
mg − масса подвешенной гири. Сумма этих сил равна
(P + Fн) и уравновешена на весах.
б) Рассмотрим случай, когда гиря опущена в воду. На правую чашу весов действует сумма сил
P1 + Fн1
где
Fн1 = Fн − FА
(сила натяжения уменьшается на величину силы Архимеда, действующей на груз в воде). Далее,
P1 = P + FА
то есть вес сосуда стал больше на величину силы Архимеда. Именно с такой силой, согласно третьему закону Ньютона, гиря действует на воду, т. е. имеем:
P1 + Fн1 = P + FA + Fн − FA = P + Fн
Итак, получается, что равновесие не нарушается.
в) Гиря лежит на дне сосуда. При этом
Fн = 0
но появляется дополнительная сила, которая давит на дно. Численно она равна силе натяжения нити, потому что, когда система находится в покое, то справедливо равенство
Fн = mg
Таким образом, и в этом случае
P2 = P + Fн
Следовательно, равновесие при этом не нарушается.
Поскольку во всех ситуациях, описанных в задаче (исходное положение - гиря, висящая в воде, и она же, лежащая на дне), обеспечено взаимодействие и гири и сосуда, наполненного жидкостью, с тем же плечом весов, равновесие не нарушится в обоих случаях. Сила, действующая на плечо, во всех случаях равна произведению ускорения силы тяжести на сумму масс гири и сосуда с водой.