Номер 10, страница 175 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Механика. Глава 4. Механические колебания и волны. Параграф 21. Механические колебания - номер 10, страница 175.

Условие.

10. Поясните, какова физическая природа возвращающей силы при колебаниях груза, подвешенного на пружине.

Решение.

При колебаниях груза, подвешенного на пружине, на него действуют две основные силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила упругости пружины, направленная вдоль оси пружины.

В положении равновесия, когда груз неподвижен, эти силы уравновешивают друг друга. Сила тяжести $F_т = mg$ равна по модулю силе упругости $F_{упр,0} = k\Delta l_0$, где $\text{m}$ – масса груза, $\text{g}$ – ускорение свободного падения, $\text{k}$ – жесткость пружины, а $\Delta l_0$ – растяжение пружины в положении равновесия. Таким образом, $mg = k\Delta l_0$.

Когда груз смещается из положения равновесия на расстояние $\text{x}$ (например, вниз), растяжение пружины изменяется и становится равным $\Delta l_0 + x$. Новая сила упругости будет равна $F_{упр} = k(\Delta l_0 + x)$. Сила тяжести $F_т$ при этом не изменяется.

Возвращающая сила – это равнодействующая всех сил, действующих на тело, которая стремится вернуть его в положение равновесия. В данном случае она равна векторной сумме силы тяжести и силы упругости:$F_{возвр} = F_{упр} - F_т = k(\Delta l_0 + x) - mg$

Подставив в это уравнение условие равновесия $mg = k\Delta l_0$, получим:$F_{возвр} = k(\Delta l_0 + x) - k\Delta l_0 = k\Delta l_0 + kx - k\Delta l_0 = kx$

Эта сила направлена в сторону, противоположную смещению $\text{x}$ (если смещение $\text{x}$ вниз, сила направлена вверх), и стремится вернуть груз в положение равновесия. В векторной форме закон для возвращающей силы записывается как $\vec{F}_{возвр} = -k\vec{x}$.

Таким образом, физическая природа возвращающей силы является **результатом совместного действия постоянной силы тяжести и переменной силы упругости пружины**.

Ответ: Физическая природа возвращающей силы при колебаниях груза, подвешенного на пружине, заключается в том, что она является равнодействующей (векторной суммой) двух постоянно действующих на груз сил: постоянной по величине и направлению силы тяжести и переменной по величине силы упругости пружины.