Номер 32.12, страница 121 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 32. Равновесие тел. Глава 4. Работа и мощность. Простые механизмы. Энергия - номер 32.12, страница 121.

32.12 [847] Почему кукла-неваляшка возвращается в вертикальное положение из любого другого?

32.12 [847]

Решение

Секрет устойчивости куклы-неваляшки заключается в её специальной конструкции. Внутри её нижней, сферической части размещен тяжелый груз. Такое распределение массы приводит к тому, что центр тяжести всей куклы находится очень низко, у самого основания.

В вертикальном положении неваляшка находится в состоянии устойчивого равновесия. Это происходит потому, что в этом положении её центр тяжести занимает самое низкое из всех возможных положений. Согласно фундаментальному принципу физики, любая система стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией. Для неваляшки это как раз вертикальное положение, так как её потенциальная энергия, определяемая высотой центра тяжести ($E_p = mgh$), минимальна.

Когда куклу наклоняют, её сферическое основание перекатывается по поверхности, и центр тяжести поднимается. Это приводит к увеличению потенциальной энергии системы. Система выходит из состояния равновесия и стремится вернуться обратно.

При наклоне сила тяжести, приложенная к центру тяжести, и сила реакции опоры, действующая в точке касания, перестают лежать на одной прямой. В результате возникает вращающий момент (момент силы тяжести), который стремится повернуть куклу так, чтобы её центр тяжести снова опустился в самое нижнее положение.

Этот возвращающий момент и заставляет неваляшку возвращаться в вертикальное положение из любого другого.

Ответ: Кукла-неваляшка возвращается в вертикальное положение, потому что её центр тяжести расположен очень низко. При любом наклоне центр тяжести поднимается, что приводит к увеличению потенциальной энергии. Возникающий при этом момент силы тяжести возвращает куклу в исходное положение устойчивого равновесия, соответствующее минимальной потенциальной энергии.