Номер 5, страница 104 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Механика. Глава 2. Динамика. Параграф 13. Вес и невесомость - номер 5, страница 104.

Условие.

5. Расскажите, как можно испытать состояние невесомости, не улетая в космос.

Решение.

Состояние невесомости — это состояние, при котором вес тела, то есть сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес, равен нулю. Важно отметить, что сила тяжести при этом продолжает действовать на тело (если оно находится в гравитационном поле). Невесомость возникает, когда тело и его опора движутся только под действием силы тяжести, то есть находятся в состоянии свободного падения. В этом случае ускорение тела равно ускорению свободного падения $\text{g}$. Согласно второму закону Ньютона, уравнение движения тела, на которое действуют сила тяжести $m\vec{g}$ и сила реакции опоры $\vec{N}$, имеет вид $m\vec{a} = m\vec{g} + \vec{N}$. В состоянии свободного падения ускорение тела $\vec{a}$ равно ускорению свободного падения $\vec{g}$. Подставив это в уравнение, получаем $m\vec{g} = m\vec{g} + \vec{N}$, из чего следует, что сила реакции опоры $\vec{N}=0$. Именно отсутствие этой силы и воспринимается организмом как невесомость.

Испытать это состояние на Земле можно несколькими способами:

1. Полеты на самолете по параболической траектории

Это наиболее реалистичный способ испытать невесомость в течение относительно продолжительного времени (до 30 секунд). Специально оборудованный самолет-лаборатория (например, Ил-76МДК в России или "Zero-G" Boeing 727 в США) выполняет особый маневр, называемый параболой Кеплера.
• Сначала самолет резко набирает высоту под большим углом (около 45°). В этот момент пассажиры испытывают перегрузку, их вес увеличивается примерно в 1,8-2 раза.
• Затем на вершине траектории пилоты выводят самолет на баллистическую траекторию, уменьшая тягу двигателей до минимума, чтобы скомпенсировать сопротивление воздуха. Самолет и все, кто находится внутри, начинают свободное падение.
• Во время движения по нисходящей ветви параболы, которое длится 25-30 секунд, внутри самолета создается состояние невесомости, так как и самолет, и люди внутри него падают с одинаковым ускорением $\text{g}$.
• После этого самолет выходит из пикирования, и пассажиры снова испытывают перегрузку. За один полет обычно выполняется серия из 10-15 таких парабол. Именно так тренируются космонавты перед полетом в космос.

2. Тренировки в гидролаборатории (гидроневесомость)

Этот метод не создает истинную невесомость, но очень хорошо имитирует ее условия для отработки практических навыков, особенно для подготовки к выходам в открытый космос. Космонавта в скафандре погружают в большой бассейн. При помощи грузов добиваются состояния нейтральной плавучести, когда сила Архимеда уравновешивает силу тяжести. В результате человек не тонет и не всплывает, что позволяет ему свободно перемещаться в трех измерениях, как в космосе. Однако при этом сохраняется вязкое сопротивление воды, которое замедляет движения, и сам человек продолжает ощущать вес своего тела внутри скафандра, хотя и может легко манипулировать тяжелыми объектами.

3. Кратковременная невесомость в бытовых условиях и на аттракционах

Состояние невесомости, хоть и очень кратковременное, можно ощутить и в более простых ситуациях:
• Аттракционы: Некоторые аттракционы, такие как "башни свободного падения" или американские горки на участках с резким спуском, создают ощущение невесомости на несколько секунд.
• Прыжки: Во время прыжка с момента отрыва от земли до приземления тело находится в свободном полете и, следовательно, в невесомости (если пренебречь сопротивлением воздуха).
• Лифт: В момент, когда скоростной лифт начинает движение вниз, его ускорение направлено вниз, и вес человека уменьшается ($P=m(g-a)$). Если представить гипотетическую ситуацию обрыва троса, то лифт и все внутри него будут падать с ускорением $\text{g}$, и наступит полная невесомость.

Ответ: Испытать состояние невесомости на Земле можно, создав условия свободного падения. Основные способы: полеты на специальном самолете по параболической траектории, где невесомость длится 25-30 секунд; имитация невесомости под водой (гидроневесомость) для тренировок космонавтов; кратковременное ощущение невесомости на аттракционах, в прыжке или при резком движении лифта вниз.