Номер 263, страница 37 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Взаимодействие тел. Сила упругости. Закон Гука - номер 263, страница 37.

Условие.

263. В 1903 г. француз Гюстав Либо запатентовал конструкцию защитных ремней для пассажиров автомобилей и самолётов. На основе этого изобретения изготовлены современные ремни безопасности. Впервые они были применены в автомобилях компании «Вольво». Что (с точки зрения физических законов) обеспечивает безопасность пассажиров, пользующихся этими ремнями?

Решение.

Безопасность пассажиров, пользующихся ремнями безопасности, обеспечивается несколькими физическими законами и принципами.

1. Закон инерции (Первый закон Ньютона)
При резком торможении или столкновении автомобиль останавливается, но тело пассажира по инерции продолжает двигаться вперед с той же скоростью, какой обладал автомобиль до начала торможения. Ремень безопасности является внешней силой, которая не позволяет пассажиру двигаться дальше и сталкиваться с рулевым колесом, приборной панелью или лобовым стеклом, тем самым предотвращая травмы.

2. Связь между силой, импульсом и временем (Второй закон Ньютона в импульсной форме)
Основная функция ремня безопасности — увеличить время, в течение которого скорость пассажира уменьшается до нуля. Изменение импульса тела ($\Delta p$) равно произведению силы ($\text{F}$) на время ее действия ($\Delta t$):

$ \Delta p = F \cdot \Delta t $

Отсюда можно выразить силу, действующую на пассажира:

$ F = \frac{\Delta p}{\Delta t} $

Изменение импульса пассажира (от начальной скорости до нуля) в аварийной ситуации является постоянной величиной. Материал ремня безопасности обладает некоторой упругостью и способен немного растягиваться. Это растяжение увеличивает время торможения ($\Delta t$). Согласно формуле, чем больше время ($\Delta t$), тем меньше сила ($\text{F}$), действующая на тело пассажира. В отличие от этого, при ударе о твердую приборную панель время остановки ($\Delta t$) было бы чрезвычайно малым, что привело бы к возникновению огромной, травмирующей силы.

3. Давление
Ремень безопасности представляет собой широкую ленту. Это сделано для того, чтобы распределить тормозящую силу по большей площади поверхности тела (в основном по прочным частям скелета — грудной клетке и тазовым костям). Давление ($\text{P}$) — это отношение силы ($\text{F}$) к площади ($\text{A}$), на которую она действует:

$ P = \frac{F}{A} $

Увеличивая площадь приложения силы ($\text{A}$), ремень безопасности значительно снижает давление на тело, что также уменьшает риск получения серьезных повреждений внутренних органов и переломов.

Ответ: Ремень безопасности обеспечивает безопасность пассажира за счет того, что: 1) удерживает тело, которое по инерции продолжает движение при резкой остановке автомобиля; 2) увеличивает время торможения тела, что согласно второму закону Ньютона значительно уменьшает силу удара; 3) распределяет эту силу по большей площади поверхности тела, снижая давление и риск травм.