Номер 2, страница 44 - гдз по физике 7 класс обучающая тетрадь Шабусов, Дубина

2. Отвечаем на вопросы.

2.1. Приведите не менее трех примеров движения тела по инерции.

2.2. К потолку на тонкой нити подвесили дыню, а снизу к ней привязали такую же нить. Ваня резко дернул за нижнюю нить. Она порвалась, а дыня осталась висеть. Алиса в подобном опыте медленно потянула за нижнюю нить. Оборвалась верхняя нить, и Алиса поймала падающую дыню. Объясните, почему это произошло.

2.1. Движение по инерции — это явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел (или когда действие этих тел скомпенсировано). В реальных условиях такое движение наблюдается на коротких промежутках времени, пока действие внешних сил (например, трения или сопротивления воздуха) не станет существенным.

Примеры движения по инерции:

1. Пассажир в автобусе. Когда автобус резко тормозит, пассажир продолжает двигаться вперед, сохраняя свою скорость по инерции.
2. Выключение двигателя автомобиля. После выключения двигателя автомобиль продолжает катиться некоторое расстояние по инерции, постепенно замедляясь под действием сил трения и сопротивления воздуха.
3. Спутник на орбите. После вывода на орбиту и отключения двигателей, спутник продолжает двигаться вокруг Земли по инерции. Его траектория искривляется силой притяжения Земли, но его стремление двигаться прямолинейно и равномерно — это проявление инерции.
4. Выбивание пыли из ковра. Когда мы ударяем по ковру, мы сообщаем ему скорость, но частицы пыли, в силу своей инерции, остаются на месте и отделяются от ткани.

Ответ: 1. Движение пассажира вперед при резком торможении автобуса. 2. Движение шайбы по льду после удара клюшкой. 3. Полет пули после выстрела из ружья.

2.2. Это явление объясняется инертностью тел и законами динамики Ньютона.

Дано:

Дыня массой $\text{m}$ подвешена на верхней нити (нить 1).
Снизу к дыне привязана такая же нить (нить 2).
Опыт 1 (Ваня): к нити 2 приложена резкая, кратковременная сила.
Опыт 2 (Алиса): к нити 2 приложена медленно возрастающая сила.

Найти:

Объяснить, почему в опыте 1 рвется нижняя нить, а в опыте 2 — верхняя.

Решение:

Рассмотрим силы, действующие в системе. Верхняя нить (нить 1) в состоянии покоя натянута с силой $T_1$, равной силе тяжести дыни $P = mg$, где $\text{g}$ – ускорение свободного падения. То есть, $T_1 = mg$. Натяжение нижней нити (нить 2) равно нулю.

Опыт 1: Ваня резко дергает за нижнюю нить.
Когда Ваня прикладывает к нижней нити резкую и большую силу $\text{F}$, эта сила создает в нити 2 натяжение $T_2 \approx F$. Дыня обладает массой и, следовательно, инерцией. Инерция — это свойство тела сохранять свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Из-за инерции дыня не успевает мгновенно прийти в движение и сместиться вниз. Ускорение дыни $\text{a}$ в первый момент времени близко к нулю. Сила натяжения $T_2$ не успевает передаться через дыню на верхнюю нить. Таким образом, натяжение верхней нити $T_1$ остается практически равным весу дыни $\text{mg}$, в то время как натяжение нижней нити $T_2$ становится очень большим. Если сила рывка $\text{F}$ превышает предел прочности нити, то нижняя нить рвется. Верхняя нить при этом испытывает нагрузку, лишь ненамного превышающую $\text{mg}$, и остается целой.

Опыт 2: Алиса медленно тянет за нижнюю нить.
Когда Алиса тянет за нижнюю нить медленно, прикладывая постепенно возрастающую силу $\text{F}$, система всё время находится в состоянии, близком к равновесию. Ускорение дыни пренебрежимо мало ($a \approx 0$). Сила, с которой Алиса тянет нить, создает в ней натяжение $T_2 = F$. Это натяжение передается дыне. В этом случае натяжение верхней нити $T_1$ должно уравновешивать как силу тяжести дыни $\text{mg}$, так и силу натяжения нижней нити $T_2$.
Из второго закона Ньютона для дыни в проекции на вертикальную ось: $T_1 - mg - T_2 = ma \approx 0$.
Следовательно, $T_1 \approx mg + T_2$.
Поскольку $T_2 = F$, то $T_1 \approx mg + F$.
Из этого соотношения видно, что натяжение верхней нити $T_1$ всегда больше натяжения нижней нити $T_2$ на величину веса дыни $\text{mg}$. По мере того, как Алиса увеличивает силу $\text{F}$, натяжение в обеих нитях растет, но в верхней нити оно всегда больше. Поэтому именно верхняя нить первой достигнет своего предела прочности и порвется.

Ответ: В первом случае (резкий рывок) нижняя нить рвется потому, что из-за инерции дыня не успевает сдвинуться с места и передать усилие на верхнюю нить. Вся сила рывка концентрируется на нижней нити. Во втором случае (медленное натяжение) усилие передается через дыню, и верхняя нить испытывает нагрузку, равную сумме веса дыни и силы натяжения нижней нити. Так как эта суммарная сила больше, чем сила, действующая на нижнюю нить, рвется верхняя нить.