Номер 138, страница 42 - гдз по физике 7 класс сборник задач Исаченкова, Гладков

Решение

В этом эксперименте мы исследуем, как результат действия силы зависит от точки ее приложения. Рассмотрим два случая, описанные в задаче.

1. Действие силой на верхнюю часть бруска (рис. 36)

Когда мы прикладываем горизонтальную силу к верхней части бруска, стоящего на наименьшей грани, он, скорее всего, опрокинется. Это происходит потому, что приложенная сила $\text{F}$ создает вращающий (опрокидывающий) момент $\tau_{опр}$ относительно нижнего ребра бруска, которое выступает в роли оси вращения. Величина этого момента равна произведению силы на ее плечо (расстояние от оси вращения до линии действия силы): $\tau_{опр} = F \cdot h$, где $\text{h}$ — высота точки приложения силы. В то же время сила тяжести $ ext{mg}$, приложенная к центру масс бруска, создает восстанавливающий момент $\tau_{восст}$, который препятствует опрокидыванию: $\tau_{восст} = mg \cdot \frac{w}{2}$, где $\text{w}$ — ширина основания бруска. Поскольку брусок стоит на наименьшей грани, он высокий (большое $\text{h}$) и узкий (малое $\text{w}$). Поэтому даже небольшая сила $\text{F}$ может создать опрокидывающий момент, достаточный для преодоления восстанавливающего момента, и брусок опрокинется раньше, чем сила достигнет величины, необходимой для преодоления силы трения покоя и начала скольжения.

2. Действие силой на нижнюю часть бруска (рис. 37)

Когда мы прикладываем ту же силу к нижней части бруска, он начинает скользить по поверхности стола. В этом случае плечо силы $\text{h}$ очень мало. Соответственно, создаваемый опрокидывающий момент $\tau_{опр} = F \cdot h$ также будет очень мал. Чтобы опрокинуть брусок, потребуется значительно большая сила, чем в первом случае. При этом сила трения покоя, которую нужно преодолеть для начала скольжения, остается прежней. В результате приложенная сила сначала достигает значения, достаточного для преодоления силы трения, и брусок приходит в поступательное движение (скольжение), а не во вращательное (опрокидывание).

Сравнение и вывод

Поведение бруска в двух случаях кардинально отличается: в первом случае он вращается (опрокидывается), во втором — движется поступательно (скользит). Это наглядно демонстрирует, что результат действия силы на твердое тело зависит не только от ее величины и направления, но и от точки ее приложения. Точка приложения силы определяет, вызовет ли сила преимущественно поступательное или вращательное движение.

Ответ: При приложении силы к верхней части бруска (рис. 36) он, вероятнее всего, опрокинется. При приложении силы к нижней части бруска (рис. 37) он будет скользить по столу. Результат действия силы на брусок зависит от точки ее приложения, так как от этого зависит величина создаваемого силой вращающего момента. Чем выше приложена сила, тем больше вращающий момент и тем выше вероятность того, что тело начнет вращаться (опрокидываться), а не двигаться поступательно.