Номер 2, страница 60 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Вспомните, что ощущает пассажир при поездке в транспорте, совершающем резкий поворот. Объясните эти ощущения, используя представление о неинерциальных системах отсчёта.

При резком повороте транспорта, например, автомобиля влево, пассажир ощущает силу, которая толкает его вправо, прижимая к правой двери или к другому пассажиру. Если поворот происходит вправо, то пассажира, наоборот, клонит влево. Это ощущение смещения в сторону, противоположную повороту, можно объяснить с помощью концепции неинерциальных систем отсчёта.

Решение

Система отсчёта, связанная с Землёй, с хорошей точностью может считаться инерциальной (ИСО). В такой системе выполняются законы Ньютона. Система отсчёта, связанная с автомобилем, который движется с ускорением (в данном случае, с центростремительным ускорением при повороте), является неинерциальной (НСО).

Рассмотрим ситуацию с двух точек зрения:

1. С точки зрения наблюдателя на Земле (в ИСО):

Согласно первому закону Ньютона (закону инерции), тело стремится сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Когда автомобиль начинает поворачивать, тело пассажира по инерции продолжает стремиться двигаться прямо. Автомобиль же меняет направление своего движения. В результате боковая стенка автомобиля (дверь) или боковая поддержка сиденья начинает давить на пассажира, заставляя его изменять направление своего движения вместе с машиной. Эта сила, действующая со стороны двери на пассажира, является реальной. Она направлена к центру поворота и представляет собой центростремительную силу. Именно она и создаёт центростремительное ускорение, необходимое для криволинейного движения.

2. С точки зрения пассажира в автомобиле (в НСО):

Для пассажира, находящегося внутри автомобиля, он сам и окружающие его предметы (сиденья, двери) находятся в покое. Когда автомобиль совершает поворот, пассажир ощущает, что на него начинает действовать некоторая сила, направленная в сторону, противоположную повороту (т.е. от центра кривизны траектории). Эта сила не вызвана взаимодействием с какими-либо другими телами, как гравитационная или упругая силы. Такие силы, возникающие в неинерциальных системах отсчёта, называют силами инерции.

В данном случае, при движении по дуге окружности, эта сила инерции называется центробежной силой. Она направлена от центра поворота и равна по модулю произведению массы пассажира $\text{m}$ на центростремительное ускорение автомобиля $a_{цс}$: $F_{цб} = m a_{цс} = \frac{mv^2}{R}$, где $\text{v}$ — скорость автомобиля, а $\text{R}$ — радиус поворота.

Именно действие этой фиктивной (поскольку она не является результатом взаимодействия тел) центробежной силы инерции пассажир ощущает как толчок в сторону. Эта сила «прижимает» его к двери. Реальная сила реакции опоры со стороны двери уравновешивает эту центробежную силу, и в результате пассажир остается в покое относительно своей неинерциальной системы отсчёта — автомобиля.

Ответ: Ощущение, что пассажира при резком повороте «выбрасывает» в сторону, противоположную повороту, объясняется возникновением в неинерциальной системе отсчёта (связанной с транспортным средством) силы инерции — центробежной силы. Эта сила направлена от центра поворота и является причиной, по которой тело пассажира по инерции стремится продолжить прямолинейное движение, в то время как транспорт меняет направление.