Номер 9.21, страница 31 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 9. Инертность тел. Первый закон Ньютона. Глава 2. Движение и взаимодействие тел - номер 9.21, страница 31.

9.21* [190] Почему линейка, подвешенная на бумажных кольцах, при резком ударе по ней переламывается, а кольца остаются целыми?

Решение

Это явление объясняется фундаментальным свойством материи — инерцией.

1. Инерция. Все тела, обладающие массой, инертны. Это означает, что для изменения их скорости требуется время и приложение силы. Линейка, подвешенная на бумажных кольцах, находится в состоянии покоя. Каждая ее часть стремится сохранить это состояние.

2. Резкий удар. Резкий удар характеризуется большой силой $F$, приложенной за очень короткий промежуток времени $\Delta t$. Согласно второму закону Ньютона, сила вызывает ускорение: $F = ma$. Огромная сила удара сообщает центральной части линейки очень большое ускорение, заставляя ее быстро двигаться вниз.

3. Локальная деформация. Из-за инерции и чрезвычайно малого времени взаимодействия, концы линейки, на которых она подвешена, «не успевают» узнать об ударе и прийти в движение. Они остаются практически на месте. В результате этого линейка испытывает резкий изгиб: ее центр устремляется вниз, а концы остаются на прежней высоте. Возникающее при этом механическое напряжение превышает предел прочности материала линейки, и она переламывается в месте приложения силы.

4. Сохранность колец. Так как концы линейки за время удара практически не смещаются, сила натяжения, действующая на бумажные кольца, почти не изменяется. Она по-прежнему равна силе тяжести, действующей на половины линейки. Этой силы недостаточно, чтобы разорвать кольца. Весь импульс силы удара $J = F \Delta t$ тратится на сообщение ускорения центральной части линейки и на ее разрушение. Если бы на линейку действовали медленно, она бы целиком начала двигаться вниз, сила натяжения колец возросла, и они бы порвались.

Ответ: При резком ударе из-за инерции только центральная часть линейки приходит в движение, в то время как ее концы остаются практически неподвижными. Это приводит к сильному изгибу и излому линейки. Поскольку концы линейки не успевают сместиться, на бумажные кольца не передается значительная дополнительная сила, и они не рвутся.