En una primera aproximación, queremos el centro de masa más bajo. Hay algún factor en el chapoteo líquido, pero no estoy seguro de cómo explicar eso.
Una botella vacía y una botella llena tienen un centro de masa en el centro. Estos son nuestros puntos menos estables.
si suponemos que comienza un recipiente cilíndrico, y una masa de la botella [matemática] M_b [/ matemática], y altura [matemática] H_b [/ matemática], y un líquido de densidad [matemática] D_l [/ matemática], entonces la masa de líquidos es [matemática] M_l = cD_lH_l [/ matemática], donde c es una constante basada en el área del cilindro. El centro de masa total sería [math] \ frac {M_b * H_b + M_l * H_l} {M_b + M_l} [/ math]. Expandiendo eso, obtenemos [math] \ frac {M_b * H_b + cD_lH_1 ^ 2} {M_b + cD_lH_l)} [/ math]
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El punto bajo será donde la derivada es 0. Entonces, tomando la derivada, obtenemos
[matemática] cD_l \ frac {-M_bH_b + cD_lH_l ^ 2 + 2H_lM_b} {(cD_lH_l + M_b) ^ 2} [/ matemática]
[matemáticas] cD_l \ frac {-M_bH_b + cD_lH_l ^ 2 + 2H_lM_b} {(cD_lH_l + M_b) ^ 2} = 0 [/ matemáticas]
[matemáticas] -M_bH_b + cD_lH_l ^ 2 + 2H_lM_b = 0 [/ matemáticas]
[matemáticas] cD_lH_1 ^ 2 + 2M_bH_l – M_bH_b = 0 [/ matemáticas]
que podemos conectar a la ecuación cuadrática
[matemáticas] H_l = \ frac {-2M_b +/- \ sqrt {4M_b ^ 2 + -4 (cD_l) (- M_bH_b)}} {2cD_l} [/ math]
y simplificando
[matemáticas] H_l = \ frac {-M_b +/- \ sqrt {M_b (M_b + (cD_l) (H_b)}} {cD_l} [/ math]
dado que tomar un – en +/- siempre daría un resultado negativo (Mb todas nuestras variables deben ser positivas para tener sentido físico), podemos simplemente tomar la raíz positiva
redefinir variables para que sean más legibles
[matemáticas] M [/ matemáticas] = masa de la botella
[matemáticas] L [/ matemáticas] = altura del líquido
[matemáticas] H [/ matemáticas] = altura de la botella
[matemática] C = cD_l [/ matemática] = densidad del líquido * la sección transversal de la botella
[matemáticas] L = \ frac {-M + \ sqrt {M (M + CH)}} {C} [/ matemáticas]
Entonces, cuánto necesita llenarlo depende de la masa de la botella, la altura de la botella, la densidad de su líquido y el ancho de la botella.
Algunas tendencias:
A medida que [math] C [/ math] aumenta, la altura disminuye.
Lo que a su vez significa que un líquido más denso quiere ser más bajo, y un recipiente más ancho debe llenarse menos.
A medida que [math] H [/ math] aumenta, también lo hace la altura
Sin embargo, para una masa dada, esto es proporcional al cuadrado de la altura, por lo que estirar la botella más alto significa que puede salirse con más masa en el fondo, pero no es lineal.
A medida que [math] M [/ math] aumenta, también lo hace la altura.
Esta es una relación más compleja. la [matemática] -M [/ matemática] la reduce linealmente, pero el interior del sqrt es [matemática] M ^ 2 + MC [/ matemática], de modo que esa parte está aumentando más que linealmente, pero apenas.
por diversión, veamos qué se necesitaría para implicar que [matemáticas] L> = H [/ matemáticas]
[matemáticas] H <= \ frac {-M + \ sqrt {M (M + CH)}} {C} [/ matemáticas]
[matemáticas] CH <= -M + \ sqrt {M (M + CH)} [/ matemáticas]
[matemáticas] CH + M <= \ sqrt {M (M + CH)} [/ matemáticas]
[matemáticas] (CH + M) ^ 2 <= M (M + CH) [/ matemáticas]
[matemáticas] C ^ 2H ^ 2 + 2CHM + M ^ 2 <= M ^ 2 + CHM [/ matemáticas]
[matemáticas] C ^ 2H ^ 2 + 2CHM <= CHM [/ matemáticas]
[matemáticas] C ^ 2H ^ 2 <= -CHM [/ matemáticas]
ya que [matemática] C ^ 2H ^ 2 [/ matemática] nunca es negativa, para que [matemática] -CHM [/ matemática] sea igual a ella, [matemática] C [/ matemática], [matemática] H [/ matemática ], o [math] M [/ math] debe ser negativo o [math] 0 [/ math]. [matemáticas] H [/ matemáticas] de [matemáticas] 0 [/ matemáticas] es una botella sin altura, por lo que no puede llenarla. [matemática] C [/ matemática] de [matemática] 0 [/ matemática] significa un líquido sin peso, por lo que no importa cuánto se llene, o un recipiente sin volumen, por lo que no se puede llenar. [matemática] M [/ matemática] de [matemática] 0 [/ matemática] es una botella ingrávida, pero ser [matemática] 0 [/ matemática] no te da igualdad a menos que [matemática] C [/ matemática] o [matemáticas] H [/ matemáticas] es [matemáticas] 0 [/ matemáticas]. En otras palabras, [matemática] L [/ matemática] es siempre [matemática] <H [/ matemática] por nuestra ecuación dentro del dominio de la ecuación, lo cual tiene sentido. Una botella llena es una de las configuraciones menos estables, por lo que nunca la querrá.
¿Qué tal si nuestra botella no tiene masa?
[matemáticas] M = 0 [/ matemáticas]
[matemáticas] L = \ frac {-M + \ sqrt {M (M + CH)}} {C} [/ matemáticas]
[matemáticas] L = \ frac {0 + \ sqrt {0 (0 + CH)}} {C} [/ matemáticas]
[matemáticas] L = \ frac {0 + 0} {C} [/ matemáticas]
[matemáticas] L = 0 [/ matemáticas]
Si nuestra botella no tiene peso, no queremos llenarla en absoluto, ya que cualquier líquido elevaría el centro de gravedad. más prácticamente, querríamos una cantidad infinitesimal de líquido, ya que una botella sin peso realmente no tendría un centro de masa, por lo que es un error en el modelo.
si nuestra altura es [matemáticas] 0 [/ matemáticas]
[matemáticas] H = 0 [/ matemáticas]
[matemáticas] L = \ frac {-M + \ sqrt {M (M + CH)}} {C} [/ matemáticas]
[matemática] L = \ frac {-M + \ sqrt {M (M + C0)}} {C} [/ matemática]
[matemáticas] L = \ frac {-M + \ sqrt {M (M)}} {C} [/ matemáticas]
[matemáticas] L = \ frac {-M + M} {C} [/ matemáticas]
[matemáticas] L = 0 [/ matemáticas]
lo que nuevamente tiene sentido.
Por lo tanto, examinar la ecuación desde diferentes direcciones y casos extremos produce resultados sensibles, lo cual es un buen control de cordura.
TL; DR
Para un recipiente cilíndrico
[matemáticas] M [/ matemáticas] = masa de la botella
[matemáticas] L [/ matemáticas] = altura del líquido
[matemáticas] H [/ matemáticas] = altura de la botella
[matemática] C [/ matemática] = [matemática] cD_l [/ matemática] = densidad del líquido * la sección transversal de la botella
[matemáticas] L = \ frac {-M + \ sqrt {M (M + CH)}} {C} [/ matemáticas]