Номер 10.11, страница 32 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 10. Взаимодействие тел. Масса тел. Глава 2. Движение и взаимодействие тел - номер 10.11, страница 32.

10.11 [204] В некоторых парках на детских площадках для игр устанавливают деревянные цилиндры (барабаны), вращающиеся на горизонтальной оси. В каком направлении и почему цилиндр вращается, когда по нему бежит ребёнок?

Решение

Рассмотрим взаимодействие между ребенком и цилиндром (барабаном) с точки зрения законов механики.

Когда ребенок бежит по верхней поверхности цилиндра, он отталкивается от нее ногами для того, чтобы переместить свое тело вперед. Согласно третьему закону Ньютона, на каждое действие есть равное по величине и противоположное по направлению противодействие.

1. Действие: Ребенок толкает поверхность цилиндра ногами назад (в направлении, противоположном своему бегу). Эта сила (сила трения покоя) приложена к верхней части цилиндра.

2. Противодействие: Цилиндр с такой же по модулю силой толкает ноги ребенка вперед, что и позволяет ребенку бежать.

Сила, с которой ребенок действует на цилиндр, приложена не к его центру (оси вращения), а к верхней поверхности. Такая сила создает вращающий момент (момент силы), который и заставляет цилиндр вращаться. Поскольку сила, толкающая цилиндр, направлена назад (относительно движения ребенка), то и вращение будет происходить в том же направлении — верхняя часть цилиндра будет двигаться назад, то есть в сторону, противоположную направлению бега ребенка.

Это явление также можно объяснить с помощью закона сохранения момента импульса. Если считать систему «ребенок + цилиндр» замкнутой (пренебрегая трением в оси), то ее суммарный момент импульса должен оставаться равным нулю, так как изначально система покоилась. Когда ребенок начинает бежать, он создает момент импульса в одном направлении относительно оси вращения. Чтобы полный момент импульса системы остался нулевым, цилиндр должен начать вращаться в противоположную сторону, создавая момент импульса, который компенсирует момент импульса ребенка.

Ответ: Цилиндр вращается в направлении, противоположном направлению бега ребенка. Причина заключается в третьем законе Ньютона: чтобы двигаться вперед, ребенок отталкивается от поверхности цилиндра назад. Эта сила создает вращающий момент, который раскручивает цилиндр в обратном направлении.