Номер 128, страница 24 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

7. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчёта. Масса тел. Сила. Равнодействующая нескольких сил. Глава II. Основы динамики. Механика - номер 128, страница 24.

Условие.

128. Указать и сравнить силы, действующие на шарик в следующих случаях:

а) шарик лежит на горизонтальном столе;

б) шарик получает толчок от руки;

в) шарик катится по столу;

г) шарик летит со стола.

Решение 1.

Решение 2.

Решение 3.

Решение 4.

а) шарик лежит на горизонтальном столе
В этом случае на шарик действуют две силы. Во-первых, это сила тяжести ($F_g$), которая всегда направлена вертикально вниз к центру Земли. Её величина равна $F_g = mg$, где $m$ – масса шарика, а $g$ – ускорение свободного падения. Во-вторых, это сила нормальной реакции опоры ($N$), с которой стол действует на шарик. Эта сила направлена перпендикулярно поверхности стола, то есть вертикально вверх.
Поскольку шарик находится в состоянии покоя, его ускорение равно нулю. Согласно первому закону Ньютона, это означает, что векторная сумма всех действующих на него сил равна нулю. Силы, действующие по вертикали, уравновешивают друг друга. Следовательно, сила нормальной реакции опоры равна по модулю силе тяжести и противоположна ей по направлению.
Сравнение сил: $N = F_g$.

Ответ: На шарик действуют две скомпенсированные силы: сила тяжести $F_g$, направленная вниз, и равная ей по модулю сила нормальной реакции опоры $N$, направленная вверх.

б) шарик получает толчок от руки
В момент толчка к силам из предыдущего пункта добавляются еще две. По-прежнему действуют сила тяжести ($F_g$) вниз и сила нормальной реакции опоры ($N$) вверх. В горизонтальном направлении появляется толкающая сила руки ($F_{hand}$), направленная в сторону будущего движения, и сила трения ($F_{fr}$), направленная в противоположную сторону. Сила трения возникает из-за взаимодействия шарика с поверхностью стола.
Сравнение сил: В вертикальном направлении шарик не движется, значит, силы по-прежнему скомпенсированы: $N = F_g$. В горизонтальном направлении шарик начинает двигаться с ускорением, а это значит, что силы не скомпенсированы. Согласно второму закону Ньютона, толкающая сила руки должна быть больше силы трения: $F_{hand} > F_{fr}$. Равнодействующая этих сил $F_{net} = F_{hand} - F_{fr}$ сообщает шарику ускорение. Сила толчка, как правило, является значительной по величине, но действует очень короткое время.

Ответ: На шарик действуют четыре силы: сила тяжести $F_g$ и сила нормальной реакции опоры $N$ (равны по модулю и направлены противоположно), а также толкающая сила руки $F_{hand}$ и сила трения $F_{fr}$ (направлены противоположно). Сила толчка больше силы трения: $F_{hand} > F_{fr}$.

в) шарик катится по столу
После того как рука прекратила контакт с шариком, толкающая сила $F_{hand}$ больше не действует. На катящийся шарик действуют: сила тяжести ($F_g$) вниз, сила нормальной реакции опоры ($N$) вверх и сила трения качения ($F_{fr, roll}$) в горизонтальном направлении. Сила трения качения всегда направлена против движения и заставляет шарик замедляться. Также можно учесть силу сопротивления воздуха, которая тоже направлена против движения, но в большинстве случаев она пренебрежимо мала по сравнению с силой трения качения.
Сравнение сил: В вертикальном направлении силы скомпенсированы: $N = F_g$. В горизонтальном направлении действует только сила трения качения (если пренебречь сопротивлением воздуха). Эта сила не скомпенсирована и является причиной отрицательного ускорения (замедления) шарика. Сила трения качения обычно очень мала по сравнению с силой тяжести: $F_{fr, roll} \ll F_g$.

Ответ: На шарик действуют сила тяжести $F_g$ и сила нормальной реакции опоры $N$ (они скомпенсированы), а также сила трения качения $F_{fr, roll}$, направленная против движения и вызывающая замедление шарика.

г) шарик летит со стола
Когда шарик покинул стол, он находится в свободном полете. Сила нормальной реакции опоры и сила трения больше не действуют. Основной силой, действующей на шарик, является сила тяжести ($F_g$), направленная вертикально вниз. Кроме того, на шарик действует сила сопротивления воздуха ($F_{air}$), направленная против вектора его скорости.
Сравнение сил: В задачах по школьной физике силой сопротивления воздуха часто пренебрегают. В этом случае единственной силой, действующей на шарик, является сила тяжести $F_g$. Именно она заставляет шарик двигаться по параболической траектории. Если же учитывать сопротивление воздуха, то на шарик действуют две силы: $F_g$ и $F_{air}$. Сила тяжести постоянна, а сила сопротивления воздуха зависит от скорости шарика и формы его поверхности. В общем случае $F_g$ и $F_{air}$ не равны и не направлены по одной прямой (за исключением вертикального падения), их векторная сумма является равнодействующей силой.

Ответ: Если пренебречь сопротивлением воздуха, на шарик действует только одна сила — сила тяжести $F_g$. Если учесть сопротивление воздуха, то на шарик действуют две силы: сила тяжести $F_g$ и сила сопротивления воздуха $F_{air}$.