Ответьте на вопросы, страница 46 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему небоскребы сужены в верхней части (рис. 40)?

Рис. 40. Небоскреб в Дубае, высота 828 м, 163 этажа

2. Объясните принцип действия игрушки-неваляшки (рис. 41)?

Рис. 41. Игрушка-неваляшка обладает устойчивым равновесием

3. Почему груз необходимо загружать не на палубы, а в трюмы кораблей (рис. 42)?

Рис. 42. Устойчивое и неустойчивое равновесие корабля

1. Почему небоскребы сужены в верхней части (рис. 40)?
Небоскребы имеют суженную кверху форму для обеспечения максимальной устойчивости. Устойчивость любого объекта напрямую зависит от положения его центра масс: чем ниже расположен центр масс, тем устойчивее объект. Сужение конструкции в верхней части позволяет сместить значительную часть массы здания вниз. Это приводит к понижению общего центра масс небоскреба. В результате для того, чтобы наклонить или опрокинуть такое здание, необходимо приложить значительно большее усилие, так как требуется совершить большую работу по подъему его низко расположенного центра масс. Кроме того, такая форма уменьшает ветровую нагрузку, поскольку на верхних этажах, где скорость ветра выше, площадь поверхности здания меньше.

Ответ: Сужение небоскребов в верхней части необходимо для повышения их устойчивости путем понижения положения центра масс.

2. Объясните принцип действия игрушки-неваляшки (рис. 41)?
Принцип действия игрушки-неваляшки основан на создании состояния устойчивого равновесия. Это достигается за счет особого распределения массы: в основании игрушки, имеющем форму полусферы, размещен тяжелый груз. Благодаря этому центр масс (обозначен как точка C на рисунке) всей неваляшки находится очень низко, в её нижней части. Когда неваляшка стоит вертикально, её центр масс занимает самое низкое из всех возможных положений, а её потенциальная энергия минимальна — это и есть положение устойчивого равновесия. Если игрушку наклонить, её центр масс поднимается (с высоты $h$ до $H$). Сила тяжести $\vec{F_T}$, приложенная к центру масс, создает вращающий момент относительно точки опоры. Этот момент стремится вернуть игрушку в исходное вертикальное положение, то есть в положение с наименьшей потенциальной энергией.

Ответ: Принцип действия неваляшки заключается в том, что из-за смещенного вниз центра масс при любом отклонении от вертикали возникает возвращающий момент силы тяжести, который восстанавливает её исходное положение устойчивого равновесия.

3. Почему груз необходимо загружать не на палубы, а в трюмы кораблей (рис. 42)?
Груз на кораблях размещают в трюмах, а не на палубах, для обеспечения остойчивости (устойчивости) судна. На плавающий корабль действуют две основные силы: сила тяжести $m\vec{g}$, приложенная к центру масс корабля (точка C), и выталкивающая сила Архимеда $\vec{F_A}$, приложенная к центру величины (центру масс вытесненной воды, точка O). Для устойчивости корабля его центр масс должен быть расположен как можно ниже. Когда тяжелый груз помещают в трюм, общий центр масс корабля с грузом опускается. При крене (наклоне) корабля, например из-за волны, возникает пара сил ($\vec{F_A}$ и $m\vec{g}$), которая создает восстанавливающий момент, стремящийся вернуть судно в ровное положение (левая часть рис. 42). Если же тяжелый груз разместить на высокой палубе, общий центр масс корабля поднимется. В этом случае при крене та же пара сил может создать опрокидывающий момент, который будет увеличивать наклон и может привести к перевороту (оверкилю) судна (правая часть рис. 42).

Ответ: Груз загружают в трюмы, чтобы максимально понизить центр масс корабля, что обеспечивает его устойчивость и предотвращает опрокидывание во время качки.