Номер 2, страница 301 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Законы сохранения в механике. Глава 5. Закон сохранения импульса. Параграф 5.4. Реактивное движение. Уравнение Мещерского. Реактивная сила - номер 2, страница 301.

Условие.

2. Может ли парусная лодка приводиться в движение с помощью компрессора, установленного на лодке, если струя воздуха направлена на паруса? Что произойдёт, если поток воздуха будет направлен мимо парусов?

Решение.

Может ли парусная лодка приводиться в движение с помощью компрессора, установленного на лодке, если струя воздуха направлена на паруса?

Рассмотрим систему, состоящую из лодки, компрессора и паруса. Когда компрессор выбрасывает струю воздуха вперед, на паруса, он одновременно толкает сам себя (и всю лодку) назад. Это следует из третьего закона Ньютона. Сила, действующая на компрессор и толкающая лодку назад, называется силой реакции. Обозначим её $F_{реакции}$.

Струя воздуха, в свою очередь, ударяется о парус и создает силу давления, толкающую парус (и лодку) вперед. Обозначим эту силу $F_{давления}$.

Обе эти силы — $F_{реакции}$ и $F_{давления}$ — являются внутренними для системы «лодка-компрессор-парус». Согласно закону сохранения импульса, внутренние силы не могут изменить суммарный импульс замкнутой системы. Если лодка покоилась, то она и будет продолжать покоиться, так как её центр масс не может прийти в движение под действием только внутренних сил.

Чтобы понять это на уровне сил, сравним их величины. Сила реакции $F_{реакции}$ возникает из-за того, что компрессор сообщает воздуху импульс. Сила давления $F_{давления}$ возникает, когда этот же воздух отдает свой импульс парусу. В идеальном случае, если бы парус полностью поглощал весь импульс воздуха (например, если бы воздух после удара о парус полностью останавливался), то по модулю эти силы были бы равны: $|F_{давления}| = |F_{реакции}|$. Поскольку они направлены в противоположные стороны, их сумма была бы равна нулю, и лодка бы не сдвинулась.

В реальности же парус не может эффективно "поймать" всю струю воздуха. Часть воздуха обогнет парус, создастся турбулентность. Это означает, что парус получит не весь импульс, который компрессор передал струе воздуха. Следовательно, сила давления на парус будет по модулю меньше силы реакции на компрессор: $|F_{давления}| < |F_{реакции}|$. В результате на лодку будет действовать результирующая сила, направленная назад. Таким образом, лодка либо останется на месте, либо даже немного сдвинется назад.

Ответ: Нет, парусная лодка не может приводиться в движение вперед, если струя воздуха от установленного на ней компрессора направлена на ее же паруса. Лодка останется на месте или будет двигаться назад.

Что произойдёт, если поток воздуха будет направлен мимо парусов?

Если поток воздуха от компрессора будет направлен назад, мимо парусов, то ситуация кардинально меняется. В этом случае мы имеем дело с принципом реактивного движения.

Компрессор забирает окружающий воздух и с силой выбрасывает его назад. Согласно третьему закону Ньютона, на каждое действие есть равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Выбрасываемый назад воздух с силой $F$ действует на компрессор (и всю лодку), толкая её вперед.

Эта сила, называемая реактивной тягой, является результатом взаимодействия системы «лодка-компрессор» с выбрасываемой массой воздуха. Эта сила способна преодолеть сопротивление воды и воздуха и привести лодку в движение. Лодка будет двигаться вперед, в направлении, противоположном направлению воздушной струи.

Ответ: Если поток воздуха будет направлен назад (мимо парусов), лодка придет в движение вперед за счет реактивной тяги.