Номер 27, страница 61, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава V. Работа, мощность, энергия. Параграф 22. Механическая работа. Мощность - номер 27, страница 61.

Условие.

27. Приведите примеры действия силы, когда работа силы равна нулю.

Решение.

Механическая работа $\text{A}$ силы $\vec{F}$ при перемещении тела на вектор $\vec{s}$ вычисляется по формуле $A = F \cdot s \cdot \cos(\alpha)$, где $\text{F}$ — модуль силы, $\text{s}$ — модуль перемещения, а $\alpha$ — угол между векторами силы и перемещения.

Из данной формулы следует, что работа силы равна нулю ($A=0$) в трех случаях:

1. На тело не действует сила ($F = 0$).

2. Тело находится в покое, то есть его перемещение равно нулю ($s = 0$).

3. Сила, действующая на тело, перпендикулярна его перемещению ($\alpha = 90^\circ$, и, следовательно, $\cos(90^\circ) = 0$).

Ниже приведены примеры для двух последних, нетривиальных случаев.

1. Перемещение равно нулю ($s = 0$)

В этом случае сила приложена к телу, но тело не движется.

Пример: Человек изо всех сил толкает стену дома. Сила, прикладываемая человеком, велика, но стена не сдвигается с места. Поскольку перемещение стены равно нулю, работа, совершаемая человеком, также равна нулю.

Пример: Атлет держит тяжелую штангу над головой в неподвижном состоянии. Он прикладывает силу, направленную вверх и равную по модулю силе тяжести, действующей на штангу. Однако перемещение штанги равно нулю, поэтому механическая работа, совершаемая атлетом над штангой, равна нулю.

2. Сила перпендикулярна перемещению ($\alpha = 90^\circ$)

В этом случае тело движется, но направление действия силы перпендикулярно направлению движения.

Пример: Искусственный спутник движется по круговой орбите вокруг планеты. Сила гравитационного притяжения, действующая на спутник, всегда направлена к центру планеты (по радиусу), а вектор скорости (и малого перемещения) спутника направлен по касательной к орбите. Угол между силой и перемещением составляет $90^\circ$, поэтому работа силы тяжести равна нулю.

Пример: Человек несет чемодан, идя по горизонтальной дороге. Сила, с которой человек действует на чемодан, направлена вертикально вверх (компенсирует силу тяжести). Перемещение же происходит в горизонтальном направлении. Так как сила перпендикулярна перемещению, работа этой силы равна нулю.

Пример: Сила реакции опоры, действующая на санки, которые катятся по горизонтальной ледяной поверхности. Сила реакции опоры направлена перпендикулярно поверхности (вверх), а санки движутся горизонтально. Работа силы реакции опоры равна нулю.

Пример: Сила Лоренца, действующая на заряженную частицу в магнитном поле. Эта сила всегда перпендикулярна скорости частицы, а значит, и ее перемещению. Поэтому работа силы Лоренца всегда равна нулю, и она не изменяет кинетическую энергию частицы.

Ответ: Работа силы равна нулю в случаях, когда перемещение тела равно нулю (например, человек толкает неподвижную стену) или когда вектор силы перпендикулярен вектору перемещения (например, сила тяжести, действующая на спутник на круговой орбите, или сила, с которой человек удерживает груз при его перемещении в горизонтальном направлении).