Номер 21, страница 89, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Механика. Глава II. Динамика. Параграф 8. Силы упругости - номер 21, страница 89.

Условие.

°21. Шарик брошен вертикально вверх. В какие моменты полёта он находится в состоянии невесомости? Примите, что сопротивлением воздуха можно пренебречь.

Решение 2.

Решение

Состояние невесомости — это состояние, в котором вес тела равен нулю. Вес тела ($\text{P}$) — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Согласно третьему закону Ньютона, эта сила равна по модулю и противоположна по направлению силе реакции опоры ($\text{N}$), действующей на тело. Таким образом, невесомость наступает, когда сила реакции опоры $\text{N}$ равна нулю.

Рассмотрим силы, действующие на тело массой $\text{m}$ в поле тяжести. На тело действует сила тяжести $\vec{F_g} = m\vec{g}$ и, в общем случае, сила реакции опоры $\vec{N}$. Согласно второму закону Ньютона, уравнение движения тела имеет вид: $m\vec{a} = \vec{F_g} + \vec{N}$.

Для наступления состояния невесомости необходимо, чтобы сила реакции опоры была равна нулю ($\vec{N}=0$). В этом случае уравнение движения принимает вид: $m\vec{a} = \vec{F_g}$. Подставив выражение для силы тяжести, получим $m\vec{a} = m\vec{g}$, откуда следует, что $\vec{a} = \vec{g}$.

Таким образом, тело находится в состоянии невесомости, когда оно движется с ускорением, равным ускорению свободного падения $\vec{g}$, то есть когда на него действует только сила тяжести.

В условии задачи сказано, что шарик брошен вертикально вверх и сопротивлением воздуха можно пренебречь. Это означает, что с момента, когда шарик покинул руку, и до момента его падения, единственной силой, действующей на него, является сила тяжести. Следовательно, по второму закону Ньютона, его ускорение $\vec{a}$ в любой момент времени равно ускорению свободного падения $\vec{g}$.

Это условие выполняется на протяжении всего полета шарика:
1. При движении вверх (скорость направлена вверх, а ускорение $\vec{g}$ — вниз).
2. В наивысшей точке траектории (мгновенная скорость равна нулю, но ускорение по-прежнему равно $\vec{g}$ и направлено вниз).
3. При движении вниз (скорость и ускорение $\vec{g}$ направлены вниз).
Поскольку в течение всего полета ускорение шарика равно ускорению свободного падения, шарик находится в состоянии невесомости во все моменты своего полета.

Ответ: Шарик находится в состоянии невесомости в течение всего времени полета (с момента отрыва от руки и до момента падения): и при движении вверх, и при движении вниз, и в верхней точке траектории.