Ответьте на вопросы, страница 37 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Во время Первой мировой войны (1918 г.) воздушные налеты немцев на Париж со-вершались регулярно, но вскоре начали успешно отражаться авиацией противника. Немецкий штаб избрал новую тактику поражения – артиллерийскую. Вдруг обна-ружилось, что при значении угла стрельбы $52^\circ$ удается бомбить Париж, удаленный более чем на 110 км. Если орудие стреляло под углом $45^\circ$, дальность полета снаряда не превышала 1 км. Как вы думаете, почему?

2. С появлением самолетов, оснащенных ракетами, обнаружилась следующая проблема: при выпуске ракет из самолета в направлении, противоположном направлению полета самолета, эти ракеты разворачивались носом к выпустив-шему их самолету и начинали его преследовать. Объясните причину такого явления.

1. Это явление объясняется влиянием атмосферы Земли на снаряд, летящий с огромной скоростью. Формула для дальности полета тела, брошенного под углом к горизонту, в вакууме выглядит так: $L = \frac{v_0^2 \sin(2\alpha)}{g}$, где $v_0$ — начальная скорость, а $\alpha$ — угол броска. В безвоздушном пространстве максимальная дальность действительно достигается при угле $45^\circ$. Однако на сверхзвуковых скоростях в атмосфере ключевую роль играет сопротивление воздуха, которое в данном случае нельзя игнорировать.

Атмосфера неоднородна: ее плотность максимальна у поверхности Земли и резко уменьшается с высотой.

• При стрельбе под углом $45^\circ$ траектория получается относительно пологой. Снаряд проводит большую часть времени в нижних, самых плотных слоях атмосферы. При колоссальной начальной скорости сила сопротивления воздуха становится огромной и чрезвычайно быстро тормозит снаряд, в результате чего его дальность полета оказывается очень малой.
• При стрельбе под более крутым углом $52^\circ$ снаряд очень быстро набирает высоту и покидает плотные слои атмосферы, выходя в стратосферу (на высоту до 40 км). В стратосфере воздух крайне разрежен, и сопротивление его ничтожно. В этих условиях, близких к вакууму, снаряд по инерции пролетает огромное расстояние, практически не теряя скорости. Затем он снова входит в плотные слои атмосферы и падает на цель.

Таким образом, выбор угла $52^\circ$ был не ошибкой, а хитроумным решением, позволяющим минимизировать губительное влияние сопротивления воздуха за счет вывода снаряда на большую высоту.

Ответ: При угле $45^\circ$ снаряд летел в плотных слоях атмосферы, где огромное сопротивление воздуха быстро его тормозило. При угле $52^\circ$ снаряд выходил в разреженные верхние слои атмосферы (стратосферу), где сопротивление было минимальным, что позволяло ему пролететь огромное расстояние по инерции.

2. Это явление объясняется двумя ключевыми физическими принципами: сложением скоростей и аэродинамической устойчивостью ракеты.

1. Относительность движения. Начальная скорость ракеты относительно земли (и неподвижного воздуха) равна векторной сумме скорости самолета и скорости ракеты относительно самолета. Допустим, самолет летит вперед со скоростью $v_{с}$, а ракета выпускается назад со скоростью $v_{р}$ относительно самолета. Тогда ее начальная скорость относительно земли будет равна $v_{общ} = v_{с} - v_{р}$. Если скорость самолета больше скорости, с которой отстреливается ракета ($v_{с} > v_{р}$), то ракета в момент выпуска на самом деле будет двигаться не назад, а вперед относительно земли, просто медленнее, чем самолет.
2. Аэродинамическая устойчивость. Ракеты, как и стрелы или воланы для бадминтона, имеют хвостовое оперение (стабилизаторы). Центр масс у них смещен к носовой части, а центр давления (точка приложения суммарной аэродинамической силы) находится ближе к хвосту. Такая конструкция заставляет объект в полете всегда разворачиваться носом по направлению набегающего потока воздуха.

Сопоставив эти два факта, получаем полную картину: ракета выпускается из самолета и, из-за сложения скоростей, начинает свое движение вперед, но при этом она сориентирована хвостом по направлению движения. Набегающий поток воздуха немедленно воздействует на ее стабилизаторы, создавая разворачивающий момент, который быстро разворачивает ракету на 180°. После разворота нос ракеты уже смотрит по направлению ее движения, а работающий двигатель начинает ее разгонять в ту же сторону, куда летит самолет. Визуально это выглядит так, будто ракета развернулась и начала преследовать запустивший ее самолет.

Ответ: Если скорость самолета больше скорости вылета ракеты, то ракета после запуска относительно земли продолжает двигаться вперед, но хвостом вперед. Из-за аэродинамической устойчивости, обеспечиваемой хвостовым оперением, ракета разворачивается на 180° носом по направлению движения и ее двигатель начинает толкать ее в сторону самолета.