Страница 54 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудите с одноклассниками, какие силы действуют на систему груз—пружина. Почему эти силы можно считать внутренними?

Какие силы действуют на систему груз—пружина?

В механической системе «груз—пружина» можно выделить два вида сил: внешние и внутренние.

Внешние силы — это силы, действующие на систему со стороны тел, которые в эту систему не входят. К ним относятся:
1. Сила тяжести ($F_т$), действующая на груз (а также на пружину, если ее масса не пренебрежимо мала). Эта сила вызвана притяжением Земли, которая не является частью системы «груз—пружина».
2. Сила реакции опоры или сила натяжения подвеса ($N$). Эта сила действует на пружину со стороны опоры или подвеса, к которому она прикреплена. Опора или подвес также являются внешними телами по отношению к системе.

Внутренние силы — это силы взаимодействия между телами, входящими в состав системы. В данном случае это:
1. Сила упругости ($F_{упр}$), с которой пружина действует на груз.
2. Сила ($F'_{упр}$), с которой груз (вследствие своей массы и/или движения) действует на пружину, вызывая ее деформацию.
Согласно третьему закону Ньютона, эти две внутренние силы равны по модулю и противоположны по направлению ($F_{упр} = -F'_{упр}$).

Ответ: На систему «груз—пружина» действуют внешние силы (сила тяжести, сила реакции опоры/подвеса) и внутренние силы (силы упругости, с которыми груз и пружина действуют друг на друга).

Почему эти силы можно считать внутренними?

Силы упругости, возникающие между грузом и пружиной, можно и нужно считать внутренними, потому что они описывают взаимодействие между составными частями самой системы.

По определению, внутренними силами называют силы, с которыми одни тела, входящие в рассматриваемую систему, действуют на другие тела этой же системы. В нашем случае система состоит из двух тел: груза и пружины. Сила, с которой пружина действует на груз, и сила, с которой груз действует на пружину, являются результатом их непосредственного взаимодействия. Поскольку оба взаимодействующих объекта принадлежат выбранной нами системе, эти силы по определению являются внутренними.

Разделение сил на внутренние и внешние является ключевым во многих разделах физики. Например, согласно закону сохранения импульса, если сумма всех внешних сил, действующих на систему, равна нулю, то импульс этой системы сохраняется. При этом внутренние силы могут быть сколь угодно большими, но они не могут изменить суммарный импульс системы, так как их векторная сумма всегда равна нулю.

Ответ: Силы взаимодействия между грузом и пружиной можно считать внутренними, так как они действуют между объектами (грузом и пружиной), которые по определению входят в состав системы «груз—пружина».

Объясните, почему колебания груза, прикреплённого к пружине, или груза, подвешенного на нити, можно рассматривать как примеры свободных колебаний.

Свободными колебаниями называют колебания, которые происходят в колебательной системе под действием внутренних сил, после того как система была выведена из положения равновесия. Ключевая особенность свободных колебаний заключается в том, что они совершаются за счет первоначально сообщенной энергии и без внешнего периодического воздействия.

Колебания груза, прикреплённого к пружине

Когда груз смещают из положения равновесия, растягивая или сжимая пружину, в системе запасается потенциальная энергия. После освобождения груза на него начинает действовать внутренняя сила — сила упругости пружины ($F_{упр} = -kx$), которая стремится вернуть его в положение равновесия. Движение происходит исключительно под действием этой возвращающей силы, без какого-либо внешнего периодического воздействия. Таким образом, колебания груза на пружине являются свободными.
Ответ: Колебания груза на пружине являются свободными, потому что они происходят под действием внутренней силы упругости пружины после однократного выведения системы из положения равновесия.

Колебания груза, подвешенного на нити

Когда груз (маятник) отклоняют от вертикального положения равновесия, ему сообщается потенциальная энергия. После отпускания он начинает колебаться под действием внутренних сил — силы тяжести и силы натяжения нити. Возвращающей силой является составляющая силы тяжести, направленная по касательной к траектории движения. Эти колебания также происходят без внешнего периодического воздействия, за счёт первоначально сообщённой энергии. Следовательно, они являются свободными.
Ответ: Колебания груза на нити являются свободными, потому что они совершаются под действием внутренних сил (в частности, силы тяжести) после того, как система была выведена из положения равновесия.