Номер 4, страница 157, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 4. Силы вокруг нас. Параграф 42. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 4, страница 157.

Условие.

• Равновесие в природе и в технике.

Решение.

Равновесие — это состояние системы, в котором скомпенсированы все действующие на неё силы или противоположно направленные процессы, что позволяет системе сохранять своё состояние (покоя или равномерного движения) с течением времени. Различают статическое равновесие (состояние покоя) и динамическое равновесие (состояние, поддерживаемое за счет уравновешенных процессов).

Равновесие в природе

В природных системах равновесие чаще всего является динамическим и сложным. Оно означает способность экосистем и организмов к саморегуляции и поддержанию стабильности (гомеостаза) в ответ на внешние изменения.

• Экологическое равновесие: Классическим примером является система «хищник–жертва». Увеличение популяции жертв (например, зайцев) приводит к росту популяции хищников (например, лис). Большое количество хищников сокращает популяцию жертв, что, в свою очередь, ведет к уменьшению численности хищников из-за нехватки пищи. Этот циклический процесс поддерживает относительное равновесие численности обоих видов.

• Биогеохимические циклы: Круговорот веществ в природе, например, углеродный цикл. Растения поглощают углекислый газ ($CO_2$) в процессе фотосинтеза, а животные и растения выделяют его при дыхании. Разложение органики также возвращает углерод в атмосферу. Этот сбалансированный обмен поддерживает относительно постоянную концентрацию $CO_2$ в атмосфере, обеспечивая стабильность климата.

• Физическое равновесие: Устойчивые скальные образования, такие как балансирующие камни или скальные арки, являются примерами статического равновесия. Они сохраняют свое положение, потому что их центр тяжести находится над площадью опоры, а сумма всех действующих на них сил и моментов сил равна нулю.

• Планетарное равновесие: Планеты, вращающиеся вокруг Солнца, находятся в динамическом равновесии. Сила гравитационного притяжения Солнца уравновешивается инерцией планеты, которая стремится двигаться по прямой. В результате этого баланса планеты движутся по стабильным эллиптическим орбитам на протяжении миллиардов лет.

Ответ: Равновесие в природе — это преимущественно динамическое состояние саморегуляции в живых и неживых системах (экосистемах, биогеохимических циклах, небесных телах), которое обеспечивает их стабильное существование и функционирование.

Равновесие в технике

В технике принцип равновесия является основополагающим при проектировании и создании любых конструкций, машин и механизмов. Здесь чаще всего рассматривается статическое равновесие, условия которого для абсолютно твердого тела выражаются двумя уравнениями:

1. Равенство нулю векторной суммы всех внешних сил, действующих на тело: $ \sum \vec{F} = 0 $. Это гарантирует, что тело не будет двигаться поступательно с ускорением.

2. Равенство нулю суммы моментов всех внешних сил относительно любой точки: $ \sum \vec{M} = 0 $. Это гарантирует, что тело не будет вращаться с ускорением.

Соблюдение этих условий гарантирует, что объект находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

• Строительство и архитектура: Любое здание, мост или плотина находятся в состоянии статического равновесия. Инженеры рассчитывают конструкции таким образом, чтобы все нагрузки (собственный вес, вес людей и оборудования, ветровые и снеговые нагрузки) уравновешивались реакциями опор. Например, в арочном мосте вес конструкции и нагрузки преобразуется в силы сжатия, направленные вдоль арки к опорам, которые их компенсируют.

• Транспорт: Самолет, летящий на постоянной высоте с постоянной скоростью, находится в динамическом равновесии: сила тяги двигателей уравновешивает силу сопротивления воздуха, а подъемная сила крыльев компенсирует силу тяжести. Корабль на воде плавает благодаря тому, что выталкивающая сила (сила Архимеда) равна его весу.

• Простые механизмы: Рычажные весы — наглядный пример использования равновесия. Они находятся в равновесии, когда моменты сил, создаваемые грузами на плечах, равны: $ M_1 = M_2 $, или $ F_1 \cdot l_1 = F_2 \cdot l_2 $, где $\text{F}$ — сила, а $\text{l}$ — плечо силы.

• Автоматические системы регулирования: Термостат в холодильнике или системе отопления поддерживает температурное равновесие. Он включает или выключает охлаждающий/нагревательный элемент для поддержания температуры в заданном узком диапазоне, создавая динамическое равновесие.

Ответ: Равновесие в технике — это ключевой принцип проектирования, обеспечивающий устойчивость, надежность и безопасность конструкций и механизмов путем точного расчета и уравновешивания всех действующих на них сил и моментов.