Номер 10.1, страница 59 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

10.1. При каком движении самолёта в нём возникает состояние невесомости?

10.1. Состояние невесомости возникает тогда, когда вес тела равен нулю. Вес тела, $\text{P}$, — это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес. По третьему закону Ньютона, вес тела по модулю равен силе реакции опоры, $\text{N}$. Таким образом, состояние невесомости наступает, когда сила реакции опоры равна нулю ($N=0$).

Рассмотрим тело массой $\text{m}$ (например, человека), находящееся внутри самолёта. На это тело действуют две основные силы: сила тяжести $m\vec{g}$, направленная вертикально вниз, и сила реакции опоры $\vec{N}$ со стороны пола самолёта, направленная вертикально вверх. Согласно второму закону Ньютона, векторная сумма этих сил равна произведению массы тела на его ускорение $\vec{a}$:

$m\vec{a} = m\vec{g} + \vec{N}$

Поскольку тело находится в самолёте, его ускорение $\vec{a}$ равно ускорению самолёта. Запишем это уравнение в проекции на вертикальную ось OY, направленную вверх:

$ma_y = N - mg$

где $a_y$ — проекция ускорения самолёта на ось OY.

Отсюда выразим силу реакции опоры $\text{N}$:

$N = m(a_y + g)$

Условие невесомости — это $N=0$. Подставив это в формулу, получаем:

$m(a_y + g) = 0$

Так как масса тела $\text{m}$ не равна нулю, то должно выполняться равенство:

$a_y + g = 0 \Rightarrow a_y = -g$

Знак «минус» указывает на то, что ускорение самолёта направлено в сторону, противоположную оси OY, то есть вертикально вниз. Таким образом, для возникновения невесомости самолёт должен двигаться с ускорением, направленным вертикально вниз и равным по модулю ускорению свободного падения, $\text{g}$.

Такое движение является свободным падением. Чтобы достичь этого состояния, самолёты (их называют летающими лабораториями или «рвотными кометами») выполняют специальный пилотажный манёвр — полёт по параболической траектории (параболе Кеплера). Самолёт резко набирает высоту под углом около 45°, а затем в верхней точке траектории пилот уменьшает тягу двигателей практически до нуля (чтобы скомпенсировать сопротивление воздуха), и самолёт начинает двигаться по инерции по баллистической параболе. В течение этого участка полёта (около 20-30 секунд) самолёт, пассажиры и все предметы внутри него находятся в состоянии свободного падения, что и создаёт эффект невесомости.

Ответ: Состояние невесомости в самолёте возникает при его движении с ускорением, равным по величине и направлению ускорению свободного падения ($\vec{a}=\vec{g}$). Такое движение представляет собой свободное падение и на практике достигается при полёте самолёта по специальной параболической траектории.