Номер 4, страница 97, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 3. Движение, взаимодействие, масса. Параграф 26. Инерция. Вопросы и задания - номер 4, страница 97.

Условие.

4. Почему длина тормозного пути тяжёлого грузовика больше тормозного пути легкового автомобиля?

Решение.

Почему длина тормозного пути тяжёлого грузовика больше тормозного пути легкового автомобиля?

Длина тормозного пути тяжёлого грузовика больше, чем у легкового автомобиля, в основном из-за его значительно большей массы, что приводит к большей инерции и кинетической энергии. Хотя на первый взгляд может показаться, что тормозной путь не должен зависеть от массы, на практике существует несколько ключевых физических причин, объясняющих эту разницу.

Главный фактор — это кинетическая энергия, которой обладает движущийся объект. Она рассчитывается по формуле $E_{к} = \frac{1}{2}mv^2$, где $\text{m}$ — масса, а $\text{v}$ — скорость. Поскольку масса грузовика ($m_{гр}$) в десятки раз больше массы легкового автомобиля ($m_{авт}$), то при одинаковой скорости его кинетическая энергия ($E_{к,гр}$) будет во столько же раз больше энергии автомобиля ($E_{к,авт}$).

Процесс торможения — это преобразование всей этой кинетической энергии в тепло за счет работы силы трения ($A_{тр} = F_{тр} \cdot S$, где $\text{S}$ — тормозной путь). Чтобы остановить автомобиль, нужно совершить работу, равную его кинетической энергии: $F_{тр} \cdot S = \frac{1}{2}mv^2$.

В идеальной физической модели максимальная сила трения колёс о дорогу пропорциональна весу автомобиля: $F_{тр} = \mu mg$, где $\mu$ — коэффициент трения. Если подставить это в формулу, масса сокращается, и получается, что тормозной путь $S = \frac{v^2}{2\mu g}$ не зависит от массы. Однако в реальности эта модель не работает по следующим причинам:

1. Ограничения тормозной системы. Тормозные механизмы грузовика должны рассеять огромное количество тепла. При слишком интенсивном торможении они моментально перегреваются. Это явление, известное как «фединг» (затухание) тормозов, приводит к резкому падению коэффициента трения и, как следствие, к снижению тормозной силы. Чтобы избежать опасного перегрева и сохранить эффективность, торможение грузовика происходит менее интенсивно, но на протяжении большего времени, а значит, и большего расстояния.

2. Свойства шин и сцепление с дорогой. Коэффициент трения $\mu$ не является постоянной величиной. Шины грузовика под действием огромного веса при торможении сильно нагреваются и деформируются. Это может ухудшить их сцепление с дорогой, особенно если оно неидеально, что также увеличивает тормозной путь.

3. Время срабатывания тормозов. На тяжёлых грузовиках часто используются пневматические тормозные системы. Они срабатывают медленнее, чем гидравлические системы легковых автомобилей, что добавляет лишние метры к общему остановочному пути.

Таким образом, основная причина заключается в том, что тормозная система грузовика физически не способна так же быстро и эффективно рассеять его колоссальную кинетическую энергию, как это делает система легкового автомобиля со своей, гораздо меньшей энергией.

Ответ: Тормозной путь тяжёлого грузовика больше из-за его огромной массы. Большая масса означает большую инерцию и значительно большую кинетическую энергию при той же скорости. Чтобы погасить эту энергию, тормозная система должна совершить огромную работу по её преобразованию в тепло. Однако эффективность тормозов и сцепление шин с дорогой ограничены физическими факторами, в первую очередь, перегревом. Из-за этого процесс торможения приходится растягивать на большее расстояние, чтобы безопасно рассеять всю кинетическую энергию.