Опыты, страница 143 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Надуйте воздушный шар, а затем, не завязывая отверстие ниткой, отпустите. Объясните особенности движения шара.

Решение

Движение надутого воздушного шара, из которого выходит воздух, является классическим примером реактивного движения. Это явление можно объяснить с двух точек зрения, которые, по сути, описывают один и тот же физический принцип.

1. С точки зрения третьего закона Ньютона. Внутри надутого шара находится сжатый воздух, давление которого значительно выше, чем давление окружающего атмосферного воздуха. Когда мы отпускаем отверстие, эта разность давлений заставляет воздух с большой скоростью вырываться наружу. Согласно третьему закону Ньютона, на каждое действие есть равное по величине и противоположное по направлению противодействие. В данном случае:
Действие: Шар выталкивает из себя струю воздуха, действуя на нее с определенной силой.
Противодействие: Струя воздуха, в свою очередь, действует на шар с точно такой же по величине, но противоположно направленной силой. Эта сила называется силой реактивной тяги. Именно она и заставляет шар лететь в направлении, противоположном истечению воздуха.

2. С точки зрения закона сохранения импульса. Систему «шар + воздух внутри» можно считать замкнутой (если пренебречь внешними силами, такими как сила тяжести и сопротивление воздуха). До того, как шар был отпущен, он покоился, и его суммарный импульс (количество движения) был равен нулю. Закон сохранения импульса гласит, что импульс замкнутой системы остается постоянным. Когда из шара вылетает порция воздуха массой $m_{в}$ со скоростью $\vec{v}_{в}$, она уносит с собой импульс $\vec{p}_{в} = m_{в}\vec{v}_{в}$. Чтобы суммарный импульс системы по-прежнему оставался равным нулю, сам шар (имеющий в этот момент массу $M_{ш}$) должен приобрести такой импульс $\vec{p}_{ш}$, чтобы выполнялось равенство $\vec{p}_{ш} + \vec{p}_{в} = 0$. Это означает, что импульс шара должен быть $\vec{p}_{ш} = -\vec{p}_{в}$, то есть шар начнет двигаться в направлении, строго противоположном направлению вылетающей струи воздуха.

Особенности движения шара:

Движение шара почти всегда хаотично и непредсказуемо. Вместо того чтобы лететь по прямой, он мечется из стороны в сторону. Это объясняется следующими факторами:

• Нестабильность «сопла»: Отверстие шара сделано из мягкой, эластичной резины. Поток воздуха заставляет его вибрировать и изгибаться, из-за чего направление воздушной струи постоянно меняется. Соответственно, меняется и направление вектора реактивной тяги, что приводит к рысканию шара.

• Деформация и вращение шара: Шар не является абсолютно жестким телом. В полете он деформируется, колеблется и часто начинает вращаться вокруг своей оси. Это также вносит вклад в нестабильность траектории.

• Затухание движения: По мере выхода воздуха давление внутри шара падает и постепенно сравнивается с атмосферным. Из-за этого скорость истечения воздуха уменьшается, а сила реактивной тяги ослабевает. Когда давление выровняется, тяга исчезнет совсем. Сила сопротивления воздуха и сила тяжести быстро погасят скорость шара, и он упадет.

Ответ: Движение шара является реактивным. Оно возникает потому, что из шара под давлением вырывается струя воздуха. В соответствии с третьим законом Ньютона (или законом сохранения импульса), выходящий воздух создает силу реактивной тяги, которая толкает шар в противоположном направлении. Особенностью движения является его хаотичный, непредсказуемый характер. Это связано с тем, что эластичное отверстие и сам шар колеблются, постоянно изменяя направление силы тяги. Движение является ускоренным, но кратковременным, так как оно прекращается, когда давление воздуха внутри и снаружи шара выравнивается.