Номер 2, страница 250, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Задания для проектно-исследовательской деятельности. Глава III. Законы сохранения в механике - номер 2, страница 250.

Условие.

2. Эффект Магнуса

Цель: наблюдать эффект Магнуса на опыте.

Изготовьте два-три бумажных цилиндра разных радиусов из плотной бумаги $^{1)}.$

На краю стола $^{2)}$ сделайте наклонную плоскость длиной не менее 30 см. По этой наклонной плоскости скатывайте бумажные цилиндры и наблюдайте траекторию их последующего движения. Отмечайте места падения цилиндров на пол.

Используя сведения из учебника и Интернета, объясните, почему цилиндр залетает под стол.

Расскажите, как связаны результаты ваших опытов с «необычными» траекториями движения мяча в различных видах спорта. Информацию можно посмотреть по ссылкам: «Почему в некоторых видах спорта мяч движется по невероятным траекториям?» (elementy.ru); «Физика футбола» (technicamolodezhi.ru).

Решение 2.

Используя сведения из учебника и Интернета, объясните, почему цилиндр залетает под стол.

Решение
Наблюдаемое явление, при котором скатывающийся со стола бумажный цилиндр летит по неожиданно крутой траектории вниз, объясняется эффектом Магнуса. Когда цилиндр скатывается, он одновременно движется вперед (поступательное движение) и вращается вокруг своей оси (вращательное движение). В данном случае, при скатывании с наклонной плоскости, у цилиндра возникает вращение с верхней закруткой, или топ-спин.

Взаимодействие вращающегося цилиндра с воздухом происходит следующим образом:

1. Двигаясь вперед, цилиндр создает встречный поток воздуха.

2. Вращающаяся поверхность цилиндра увлекает за собой тонкий слой прилегающего воздуха (так называемый пограничный слой).

3. С верхней стороны цилиндра увлеченный вращением слой воздуха движется вперед, навстречу основному потоку. Это приводит к замедлению общего потока воздуха над цилиндром.

4. С нижней стороны цилиндра увлеченный вращением слой воздуха движется назад, в том же направлении, что и основной поток. Это приводит к ускорению общего потока воздуха под цилиндром.

5. Согласно закону Бернулли, там, где скорость потока жидкости или газа выше, давление ниже, и наоборот. Следовательно, над цилиндром (где скорость воздуха меньше) создается область повышенного давления, а под цилиндром (где скорость воздуха больше) — область пониженного давления.

6. Возникшая разность давлений ($P_{сверху} > P_{снизу}$) создает поперечную силу, направленную из области высокого давления в область низкого, то есть вниз. Эта сила называется силой Магнуса.

Эта направленная вниз сила Магнуса складывается с силой тяжести. В результате общая вертикальная сила, действующая на цилиндр, становится больше силы тяжести, что заставляет его отклоняться от стандартной параболической траектории и двигаться по более крутой дуге вниз. Именно поэтому кажется, что цилиндр «ныряет» или «залетает под стол».

Ответ: Цилиндр залетает под стол из-за эффекта Магнуса. Его вращение (топ-спин) при движении в воздухе создает разность давлений: над цилиндром давление повышается, а под ним — понижается. Это порождает дополнительную силу, направленную вниз. Эта сила, складываясь с силой тяжести, заставляет цилиндр падать по более крутой траектории.

Расскажите, как связаны результаты ваших опытов с «необычными» траекториями движения мяча в различных видах спорта.

Решение
Результаты опыта с бумажным цилиндром напрямую связаны с «необычными» траекториями полета мячей в спорте, так как в основе обоих явлений лежит один и тот же физический принцип — эффект Магнуса. Вращающийся мяч, точно так же, как и вращающийся цилиндр, создает в обтекающем его потоке воздуха поперечную силу, которая искривляет траекторию его полета. Направление и величина этой силы зависят от скорости и оси вращения мяча.

Эта связь наглядно проявляется в различных видах спорта:

В футболе «крученый» удар заставляет мяч вращаться. При боковом вращении сила Магнуса направлена в сторону, что позволяет мячу облетать «стенку» из игроков. При верхнем вращении (топ-спине), как в нашем опыте, возникает сила, направленная вниз, заставляющая мяч резко «нырять» за препятствием в ворота (удар «сухой лист»).

В теннисе игроки используют топ-спин, чтобы наносить сильные удары, при которых мяч летит по крутой дуге и попадает в корт. Обратное вращение (бэк-спин или «подрезка») создает подъемную силу Магнуса, благодаря которой мяч летит более полого и дольше «зависает» в воздухе.

В бейсболе питчеры придают мячу сложное вращение, чтобы подать «кёрвбол» (curveball) — мяч, который в полете резко отклоняется вниз и в сторону, обманывая отбивающего.

В гольфе и настольном теннисе вращение также играет ключевую роль, позволяя контролировать полет мяча (или шарика) и придавать ему самые непредсказуемые траектории.

Таким образом, простой опыт с бумажным цилиндром демонстрирует фундаментальный аэродинамический эффект, который спортсмены используют для управления полетом мяча и достижения высоких результатов.

Ответ: Опыт с цилиндром и «необычный» полет спортивных мячей объясняются одним и тем же эффектом Магнуса. Вращение тела в потоке воздуха создает поперечную силу, которая искривляет его траекторию. В спорте это позволяет футболистам, теннисистам и другим атлетам заставлять мячи лететь по дуге, резко падать или, наоборот, дольше планировать в воздухе, чтобы обойти препятствия и запутать соперника.