Номер 154, страница 26 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Взаимодействие тел. Прямолинейное равноускоренное движение. Ускорение - номер 154, страница 26.

Условие.

154. a) Почему нельзя резко увеличивать скорость электровоза при трогании с места; при буксировке машины на канате? б) Почему опасно выпрыгивать на ходу из движущегося автомобиля? в) Почему при необходимости внезапной остановки мотоцикла тормозят обоими колёсами? Что может произойти, если тормозить только передним колесом?

Решение.

а) Явление, которое объясняет оба случая, — это инерция. Инерция — это свойство тел сохранять свою скорость (состояние покоя или равномерного прямолинейного движения).
При трогании с места электровоз должен преодолеть инерцию покоя своего огромного состава. Согласно второму закону Ньютона, сила тяги $\text{F}$, необходимая для придания поезду ускорения $\text{a}$, прямо пропорциональна его массе $\text{m}$: $F=ma$. Масса поезда очень велика. Если резко увеличить скорость, это означает создание большого ускорения. Для этого потребуется огромная сила тяги. Сила тяги создается за счет трения колес о рельсы. Если требуемая сила тяги превысит максимальную силу трения покоя, колеса начнут проскальзывать (буксовать). Это неэффективно и приводит к износу колес и рельсов. Поэтому скорость увеличивают плавно.
При буксировке автомобиля на канате ситуация аналогична. Буксируемый автомобиль обладает инерцией покоя. При резком старте буксирующего автомобиля на буксируемый автомобиль и, соответственно, на канат действует большая сила. Если эта сила превысит предел прочности каната, он порвется. Поэтому начинать движение нужно плавно, чтобы сила натяжения каната не достигла критического значения.

Ответ: Резко увеличивать скорость нельзя из-за инерции. В случае с электровозом это приведет к проскальзыванию колес, а в случае с буксировкой — к разрыву каната, так как для придания большого ускорения телам с большой массой требуется очень большая сила.

б) Выпрыгивать на ходу из движущегося автомобиля опасно также из-за инерции. Тело человека, находящегося в автомобиле, движется вместе с ним с той же скоростью. В момент, когда человек выпрыгивает и касается ногами земли, его ноги резко останавливаются из-за силы трения о землю. Однако верхняя часть тела по инерции продолжает двигаться вперед с прежней скоростью. Это приводит к тому, что человек опрокидывается вперед и падает, получая при падении серьезные травмы. Чем выше скорость автомобиля, тем опаснее прыжок, так как больше кинетическая энергия тела ($E_k = \frac{mv^2}{2}$), которая при падении переходит в работу деформации и вызывает повреждения.

Ответ: Опасно выпрыгивать из движущегося автомобиля, потому что из-за инерции тело продолжает двигаться со скоростью автомобиля. При соприкосновении с землей ноги резко останавливаются, а туловище продолжает движение, что приводит к падению и травмам.

в) При необходимости внезапной остановки мотоцикла тормозят обоими колесами для достижения максимальной эффективности торможения и сохранения устойчивости. Тормозная сила создается силой трения между шинами и дорогой. Использование двух тормозов позволяет создать бо́льшую суммарную тормозную силу и, следовательно, бо́льшее отрицательное ускорение, что сокращает тормозной путь ($s = \frac{v_0^2}{2a}$). Распределение тормозного усилия между передним и задним колесами помогает сохранить устойчивость мотоцикла.
Если тормозить только передним колесом, особенно резко, возникает несколько опасностей. Центр масс мотоцикла с водителем находится выше оси колес. При резком торможении передним колесом сила инерции, приложенная к центру масс, создает вращающий момент относительно точки контакта переднего колеса с дорогой. Этот момент стремится опрокинуть мотоцикл вперед. Если тормозная сила будет достаточно велика, заднее колесо может оторваться от земли, и мотоцикл перевернется через переднее колесо. Также резкое торможение может привести к блокировке переднего колеса. Заблокированное колесо перестает катиться и начинает скользить, при этом теряется боковая устойчивость и возможность управлять мотоциклом, что почти неминуемо ведет к падению.

Ответ: Тормозить обоими колесами нужно для максимального сокращения тормозного пути и сохранения устойчивости. Если тормозить только передним колесом, мотоцикл может перевернуться вперед из-за инерции или упасть на бок из-за блокировки колеса и потери управления.