Номер 10.6, страница 32 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 10. Взаимодействие тел. Масса тел. Глава 2. Движение и взаимодействие тел - номер 10.6, страница 32.

10.6 [199] Почему пожарному трудно удерживать брандспойт, из которого бьёт вода?

10.6 [199]

Решение

Удерживать брандспойт, из которого с большой скоростью бьёт вода, трудно из-за явления реактивного движения, которое описывается законом сохранения импульса.

Рассмотрим систему "брандспойт-вода". Изначально, когда вода неподвижна, суммарный импульс системы равен нулю. Когда вода начинает вытекать из брандспойта со скоростью $\vec{v}$, она приобретает импульс $\Delta \vec{p}_{воды}$, направленный от брандспойта. За время $\Delta t$ масса вытекшей воды равна $\Delta m$, и её импульс составляет $\Delta \vec{p}_{воды} = \Delta m \cdot \vec{v}$.

Согласно закону сохранения импульса, для замкнутой системы суммарный импульс должен оставаться постоянным. Чтобы суммарный импульс системы оставался равным нулю, брандспойт должен получить импульс $\Delta \vec{p}_{брандспойта}$, равный по модулю и противоположный по направлению импульсу вытекающей воды:

$\Delta \vec{p}_{брандспойта} = - \Delta \vec{p}_{воды} = - \Delta m \cdot \vec{v}$

Изменение импульса брандспойта за время $\Delta t$ означает, что на него действует сила, называемая реактивной силой. Согласно второму закону Ньютона, эта сила равна:

$\vec{F}_{реактивная} = \frac{\Delta \vec{p}_{брандспойта}}{\Delta t} = - \frac{\Delta m}{\Delta t} \vec{v}$

Эта сила направлена в сторону, противоположную движению воды, и толкает брандспойт назад. Так как вода из пожарного брандспойта выбрасывается с очень высокой скоростью и в большом количестве (величина $\frac{\Delta m}{\Delta t}$ — массовый расход — велика), то и реактивная сила отдачи получается очень большой. Пожарному необходимо прикладывать значительное мышечное усилие, чтобы скомпенсировать эту силу и удержать брандспойт в руках.

Это же явление можно объяснить и с помощью третьего закона Ньютона: сила, с которой брандспойт выталкивает воду, равна по величине и противоположна по направлению силе, с которой вода действует на брандспойт (сила отдачи).

Ответ: Пожарному трудно удерживать брандспойт из-за большой реактивной силы (силы отдачи), возникающей в соответствии с законом сохранения импульса. Вылетающая с большой скоростью струя воды сообщает брандспойту равный по модулю и противоположно направленный импульс, что создает мощную силу, толкающую брандспойт назад.