Номер 38.37, страница 144 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 38. Внутренняя энергия. Глава 6. Тепловые явления - номер 38.37, страница 144.

38.37 [н] Группа туристов решила добывать огонь для костра древним способом — трением. Один турист взял две небольшие плоские дощечки из сухого дерева и стал интенсивно тереть их друг о друга. Другой турист сделал в полене небольшую лунку и стал быстро вращать в ней остриё тонкой палочки. Какому из туристов и почему удалось добыть огонь быстрее?

Решение

Для того чтобы добыть огонь, необходимо за счет работы силы трения нагреть древесину до температуры ее воспламенения. Количество теплоты $Q$, выделяемое при трении, равно работе $A_{тр}$, совершенной против силы трения. Однако для воспламенения важно не только общее количество выделенной теплоты, но и ее концентрация, то есть повышение температуры в конкретной точке.

Рассмотрим оба метода:

1. Трение двух плоских дощечек

В этом случае площадь соприкосновения $S_1$ довольно велика. Сила, с которой турист прижимает дощечки, распределяется по всей этой площади. Давление $p_1$, которое определяется как отношение силы к площади ($p = \frac{F}{S}$), оказывается относительно небольшим. Вся теплота, выделяющаяся при трении, распределяется по большой поверхности, и к тому же активно рассеивается в окружающий воздух. В результате температура поверхности повышается медленно и равномерно, и достичь в какой-либо точке температуры воспламенения становится очень затруднительно.

2. Вращение палочки в лунке

Второй турист концентрирует все свои усилия на очень маленьком участке – в месте контакта острия палочки и лунки в полене. Площадь соприкосновения $S_2$ здесь очень мала ($S_2 \ll S_1$). Даже при приложении такой же силы, как в первом случае, давление $p_2 = \frac{F}{S_2}$ будет во много раз больше, чем в первом случае ($p_2 \gg p_1$).

Благодаря высокому давлению и постоянному трению в одном и том же месте, вся выделяемая теплота концентрируется в очень малом объеме. Это приводит к быстрому локальному повышению температуры до сотен градусов. Кроме того, трение под высоким давлением истирает древесину, создавая мелкую древесную пыль (трут), которая имеет низкую температуру воспламенения и легко загорается от раскаленного участка.

Таким образом, второй способ гораздо эффективнее, так как позволяет сконцентрировать энергию и достичь температуры воспламенения.

Ответ: огонь быстрее добудет второй турист. Причина в том, что при вращении острия палочки в лунке вся работа силы трения и выделяемая теплота концентрируются на очень малой площади. Это создает высокое давление и быстрый локальный нагрев до температуры воспламенения. При трении двух плоских дощечек тепло распределяется по большой площади и не успевает нагреть ни один участок до нужной температуры, так как быстро рассеивается в окружающую среду.