Наблюдайте, страница 151, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Наблюдайте

Пронаблюдайте за падением вращающегося легкого теннисного шарика с края стола. Опишите это движение и попытайтесь его объяснить.

При наблюдении за падением вращающегося легкого теннисного шарика с края стола можно заметить, что его траектория отличается от обычной параболы, по которой падало бы невращающееся тело. Движение шарика будет искривляться в сторону. Направление и степень искривления траектории зависят от направления и скорости вращения шарика. Например, если придать шарику верхнее вращение (топ-спин), он упадет быстрее и по более крутой дуге. Если же придать ему нижнее (обратное) вращение (бэкспин), его полет будет более продолжительным и траектория более пологой, как будто шарик «парит» в воздухе. При боковом вращении шарик будет отклоняться вправо или влево.

Это явление объясняется эффектом Магнуса. Суть этого аэродинамического эффекта заключается в следующем:

1. Когда вращающееся тело движется через газ или жидкость (в нашем случае — воздух), оно увлекает за собой прилегающие к нему слои воздуха.

2. В результате с одной стороны шарика скорость движения воздуха относительно его поверхности увеличивается (там, где направление вращения поверхности совпадает с направлением набегающего потока), а с другой стороны — уменьшается (где направление вращения противоположно потоку).

3. Согласно закону Бернулли, там, где скорость потока жидкости или газа выше, давление ниже, и наоборот. Следовательно, по обе стороны от шарика возникает разность давлений.

4. Эта разность давлений создает поперечную силу, называемую силой Магнуса. Она направлена из области более высокого давления в область более низкого и перпендикулярна вектору скорости движения тела и оси его вращения. Именно эта сила и искривляет траекторию полета шарика.

Рассмотрим конкретные случаи:

• При верхнем вращении (топ-спине) шарик вращается вперед. Поток воздуха над шариком замедляется, а под ним — ускоряется. В результате давление воздуха сверху становится выше, чем снизу. Возникает сила, направленная вниз, которая «прижимает» шарик к земле, заставляя его падать по более крутой траектории.

• При нижнем (обратном) вращении (бэкспине) шарик вращается назад. Поток воздуха над шариком ускоряется, а под ним — замедляется. Давление сверху становится ниже, чем снизу. Возникает подъемная сила, направленная вверх. Она частично компенсирует силу тяжести, благодаря чему шарик летит дольше и дальше.

Таким образом, движение вращающегося шарика — это сложный процесс, определяемый взаимодействием силы тяжести, силы сопротивления воздуха и силы Магнуса.

Ответ: Падение вращающегося теннисного шарика с края стола характеризуется искривлением его траектории по сравнению с параболической траекторией невращающегося тела. Это объясняется эффектом Магнуса: вращение шарика создает разность скоростей обтекающего его воздуха, что, согласно закону Бернулли, приводит к разности давлений с разных сторон шарика. Возникающая поперечная сила (сила Магнуса) отклоняет шарик. Верхнее вращение (топ-спин) заставляет шарик падать быстрее и круче, а нижнее вращение (бэкспин) создает подъемную силу, удлиняя полет и делая траекторию более пологой.