Опыты, страница 76 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Возьмите воздушный шар, надуйте его, а затем, не завязывая отверстие ниткой, отпустите. Объясните особенности движения шара.

Решение

Когда надутый воздушный шар отпускают, он начинает двигаться. Это движение является классическим примером реактивного движения. Рассмотрим физические принципы, лежащие в основе этого явления.

Внутри надутого шара находится воздух под давлением, которое превышает атмосферное. Упругие стенки шара сжимают воздух. Пока отверстие закрыто, давление воздуха на внутренние стенки шара скомпенсировано со всех сторон, и шар находится в покое. Как только мы отпускаем отверстие, воздух начинает с высокой скоростью вырываться наружу. Давление на стенку шара, противоположную отверстию, перестает быть скомпенсированным, так как со стороны отверстия воздуха больше нет. Возникает разность сил, которая создает силу, толкающую шар вперед. Эта сила называется реактивной силой тяги.

Движение шара можно объяснить с помощью двух фундаментальных законов физики:

1. Третий закон Ньютона. Он гласит, что всякому действию есть равное по модулю и противоположное по направлению противодействие. В нашем случае, действием является сила, с которой шар выталкивает из себя струю воздуха. Противодействием является сила, с которой вылетающий воздух толкает шар в обратную сторону. Именно эта сила и заставляет шар лететь.

2. Закон сохранения импульса. В замкнутой системе суммарный импульс остается постоянным. Изначально система «шар + воздух внутри» покоится, ее суммарный импульс равен нулю. Когда воздух массой $m_в$ начинает вылетать со скоростью $v_в$, он создает импульс $p_в = m_в \cdot v_в$. Чтобы суммарный импульс системы по-прежнему оставался равным нулю, шар массой $m_ш$ должен приобрести равный по величине и противоположный по направлению импульс $p_ш$, двигаясь со скоростью $v_ш$. Математически это можно записать как $p_ш + p_в = 0$ или $m_ш \cdot v_ш = -m_в \cdot v_в$. Это означает, что шар движется в сторону, противоположную истечению воздуха.

Особенности движения шара:

На практике траектория полета шара оказывается хаотичной и труднопредсказуемой. Это связано с несколькими факторами. Во-первых, горловина шара не является жестким соплом, она эластична, колеблется и вибрирует, из-за чего направление выходящей струи воздуха постоянно меняется. Это приводит к тому, что вектор реактивной силы также постоянно меняет свое направление, заставляя шар беспорядочно метаться из стороны в сторону. Во-вторых, несимметричный выход воздуха часто заставляет шар вращаться, что еще больше усложняет траекторию. В-третьих, по мере выхода воздуха масса всей системы уменьшается, что влияет на ее ускорение.

Ответ:

Движение отпущенного надутого воздушного шара — это пример реактивного движения. Оно возникает из-за того, что из шара под давлением вырывается струя воздуха. В соответствии с третьим законом Ньютона и законом сохранения импульса, шар движется в сторону, противоположную направлению истечения воздуха, под действием реактивной силы. Особенностью движения является его хаотичная, непредсказуемая траектория, вызванная колебаниями эластичного выпускного отверстия, что приводит к постоянному изменению направления реактивной тяги.