Номер 10.9, страница 32 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 10. Взаимодействие тел. Масса тел. Глава 2. Движение и взаимодействие тел - номер 10.9, страница 32.

10.9° [202°] Почему при вытекании воды сосуд, подвешенный на нити, вращается (рис. II-28)?

Рис. II-28

Решение

Вращение сосуда, показанного на рисунке, объясняется действием третьего закона Ньютона, также известного как закон действия и противодействия. Этот же принцип лежит в основе реактивного движения.

Рассмотрим процесс вытекания воды из патрубков:

1. Чтобы струи воды вытекали из сосуда, стенки сосуда должны подействовать на воду с некоторой силой, выталкивая её наружу. Эта сила (сила действия) направлена вдоль патрубков, в сторону движения воды.
2. Согласно третьему закону Ньютона, на всякое действие есть равное по модулю и противоположное по направлению противодействие. Это означает, что вытекающая вода действует на сосуд с такой же по величине, но противоположно направленной силой. Эта сила называется силой реакции или реактивной силой.
3. На рисунке видно, что патрубки направлены по касательной к окружности, центром которой является ось вращения сосуда. Следовательно, реактивные силы, действующие на сосуд со стороны вытекающей воды, также направлены по касательной, но в сторону, противоположную направлению струй.
4. Эти реактивные силы приложены на некотором расстоянии от оси вращения (нити, на которой подвешен сосуд). Сила, приложенная на расстоянии от оси, создает вращающий момент (или момент силы). Момент силы $M$ определяется как произведение модуля силы $F$ на плечо $r$ (расстояние от оси вращения до линии действия силы): $M = F \cdot r$.
5. Оба патрубка создают вращающие моменты, направленные в одну и ту же сторону (в данном случае, против часовой стрелки, если смотреть сверху). Суммарный вращающий момент заставляет сосуд приобретать угловое ускорение и приходить во вращательное движение.

Этот эффект можно также объяснить с точки зрения закона сохранения момента импульса.

Изначально система «сосуд с водой» покоится, и её суммарный момент импульса равен нулю. Когда вода начинает вытекать по касательной, она уносит с собой некоторый момент импульса. Поскольку в системе отсутствуют внешние вращающие моменты (пренебрегая трением в нити и сопротивлением воздуха), общий момент импульса системы должен оставаться равным нулю. Для этого сосуд должен приобрести момент импульса, равный по величине и противоположный по направлению моменту импульса вытекающей воды. Это и приводит к его вращению в сторону, противоположную направлению струй.

Такое устройство является одним из простейших примеров реактивного двигателя и известно как "сегнерово колесо".

Ответ: Вращение сосуда происходит из-за реактивных сил, возникающих в соответствии с третьим законом Ньютона. Вода, вытекая из направленных по касательной патрубков, действует на сосуд с силами, которые создают вращающий момент и приводят сосуд в движение.