Номер 246, страница 38 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

246. На столике в вагоне поезда лежат коробка конфет и яблоко. Почему в начале движения яблоко покатилось назад (относительно вагона), а коробка конфет осталась на месте?

Решение

Это явление объясняется фундаментальным свойством тел, называемым инертностью (которое описывается первым законом Ньютона), и различием в силах трения, действующих на яблоко и коробку.

Когда поезд трогается с места, он начинает двигаться с ускорением. Столик, как часть поезда, также приобретает это ускорение. Однако яблоко и коробка, согласно закону инерции, стремятся сохранить свое первоначальное состояние покоя относительно земли. Для наблюдателя, находящегося в вагоне (в неинерциальной системе отсчета), это выглядит так, будто на тела начинает действовать сила инерции, направленная в сторону, противоположную ускорению поезда, то есть назад.

Для того чтобы предметы остались неподвижными относительно столика, сила трения покоя, действующая на них со стороны столика, должна быть достаточной, чтобы преодолеть их инертность и сообщить им такое же ускорение, как у поезда. Максимальная сила трения покоя определяется формулой $F_{тр.пок.макс} = \mu N$, где $\mu$ — коэффициент трения покоя, а $N$ — сила нормальной реакции опоры.

Ключевое различие между яблоком и коробкой заключается в силе трения. У яблока форма близка к шару, и оно касается столика в очень небольшой области. Сила трения, препятствующая его движению, — это сила трения качения, которая, как правило, очень мала. Этой небольшой силы оказывается недостаточно, чтобы придать яблоку ускорение поезда. Поэтому яблоко «отстает» от движущегося вперед столика, что воспринимается как его качение назад. В то же время у коробки конфет плоское и широкое основание. Это обеспечивает значительно больший коэффициент трения покоя. Возникающая между коробкой и столиком сила трения покоя оказывается достаточно большой, чтобы сообщить коробке необходимое ускорение. В результате коробка движется вместе со столиком и остается на своем месте относительно него.

Таким образом, разное поведение объектов обусловлено тем, что сила трения, действующая на коробку, способна преодолеть ее инерцию, а сила трения, действующая на яблоко, — нет.

Ответ: Яблоко покатилось назад относительно вагона из-за явления инерции — оно стремилось сохранить состояние покоя, в то время как поезд и столик начали двигаться с ускорением. Сила трения качения, действовавшая на яблоко, была слишком мала, чтобы сообщить ему такое же ускорение. Коробка конфет осталась на месте, так как благодаря плоскому дну сила трения покоя между ней и столиком была достаточно велика, чтобы заставить ее двигаться вместе с поездом.