Номер 2, страница 47 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

2. Подготовьте сообщение по темам (на выбор):

1) «Виды равновесия в цирковых трюках».

2) «Роль равновесия в различных видах спорта».

1) «Виды равновесия в цирковых трюках».

Цирковое искусство является яркой и зрелищной демонстрацией законов физики, в частности, принципов механического равновесия. Равновесие — это состояние тела, при котором оно сохраняет свою скорость (включая нулевую) неизменной. В цирке чаще всего речь идет о статическом равновесии, когда тело находится в покое. Условием равновесия твердого тела является равенство нулю векторной суммы всех действующих на него сил и равенство нулю суммы моментов этих сил относительно любой оси.

Ключевым понятием для анализа равновесия является центр масс (или центр тяжести). Положение тела будет устойчивым, если его центр масс занимает наинизшее из всех возможных положений. В физике выделяют три вида равновесия, и все они находят свое отражение в цирковых номерах.

Устойчивое равновесие. Это состояние, при котором тело, выведенное из положения равновесия, возвращается в него обратно. Такое происходит, когда центр масс тела находится в самой низкой точке. При отклонении потенциальная энергия тела увеличивается, и сила тяжести создает возвращающий момент, стремящийся вернуть тело в исходное положение.

Примеры в цирке:

• Воздушные гимнасты на трапеции или кольце. Их общий центр масс находится ниже точки опоры (перекладины трапеции). При любом отклонении от вертикали сила тяжести возвращает их в нижнее положение, подобно маятнику.

• Эквилибрист, использующий специальный шест с утяжелителями на концах, опущенных вниз. Такая конструкция позволяет сместить общий центр масс системы «артист-шест» ниже точки опоры (каната), превращая неустойчивое положение в устойчивое.

Неустойчивое равновесие. Это состояние, при котором тело при малейшем отклонении от положения равновесия не возвращается в исходное состояние, а продолжает удаляться от него. В этом положении центр масс находится в наивысшей возможной точке, а потенциальная энергия максимальна. Именно этот вид равновесия лежит в основе большинства самых захватывающих трюков, требующих от артиста высочайшего мастерства.

Примеры в цирке:

• Канатоходец. Его центр масс расположен высоко над очень маленькой площадью опоры — канатом. Любое, даже самое незначительное, смещение центра масс в сторону от вертикали, проходящей через канат, создает опрокидывающий момент силы тяжести. Артист вынужден непрерывно совершать балансирующие движения телом и руками, чтобы удерживать проекцию центра масс на канате.

• Акробат, выполняющий стойку на руках, на голове или на стульях, составленных в пирамиду.

• Жонглер, балансирующий на носу или подбородке шест, булаву или другой предмет.

• Артист на моноцикле (одноколесном велосипеде).

Для удержания неустойчивого равновесия артисты используют разные приемы. Например, канатоходцы часто держат в руках длинный шест. Шест обладает большим моментом инерции ($I$). Согласно основному уравнению динамики вращательного движения, $\tau = I\alpha$, где $\tau$ — момент силы, а $\alpha$ — угловое ускорение. Большой момент инерции шеста означает, что для его наклона (то есть для придания ему углового ускорения) требуется значительный момент силы. Это замедляет процесс падения и дает артисту больше времени на то, чтобы среагировать и восстановить равновесие, смещая свой центр масс.

Безразличное (нейтральное) равновесие. Это состояние, при котором тело, выведенное из положения равновесия, остается в новом положении. Такое возможно, если при смещении высота центра масс (и, следовательно, потенциальная энергия) не изменяется. Площадь опоры при этом смещается вместе с телом.

Примеры в цирке:

• Акробат, катящийся в колесе Сира по ровной горизонтальной поверхности арены. Центр масс системы «артист-колесо» при качении остается на одной и той же высоте.

• Шар, на котором балансирует эквилибрист. Сам шар, катясь по полу, находится в безразличном равновесии. При этом артист на шаре находится в состоянии неустойчивого равновесия относительно шара.

Таким образом, цирковые трюки, поражающие воображение, основаны на глубоком, пусть и интуитивном, понимании и виртуозном применении законов механики, связанных с различными видами равновесия.

Ответ: В цирковых трюках используются три вида равновесия: устойчивое (например, гимнаст на трапеции, где центр масс ниже опоры), неустойчивое (например, канатоходец, где центр масс выше опоры и требует постоянной балансировки) и безразличное (например, артист в катящемся по ровной поверхности колесе Сира, где высота центра масс не меняется). Для удержания неустойчивого равновесия артисты используют такие приемы, как балансировочный шест, который увеличивает момент инерции и дает время для реакции.