Номер 175, страница 31 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах - номер 175, страница 31.

Условие.

175. Почему во время длительной езды покрышки колёс автомобиля сильно нагреваются? Какие превращения кинетической энергии автомобиля при этом происходят?

Решение.

Почему во время длительной езды покрышки колёс автомобиля сильно нагреваются?

Покрышки колёс автомобиля сильно нагреваются во время длительной езды по нескольким причинам, связанным с трением и деформацией:

1. Внутреннее трение в материале покрышки. Во время движения автомобиля каждая часть покрышки, соприкасаясь с дорогой, деформируется (сплющивается) под весом автомобиля, а затем, отрываясь от дороги, восстанавливает свою форму. Этот процесс непрерывной деформации и восстановления происходит с высокой частотой. Поскольку резина не является идеально упругим материалом, при этих циклических деформациях возникает внутреннее трение между молекулами полимера. Работа, совершаемая против сил этого внутреннего трения, преобразуется во внутреннюю энергию, что приводит к значительному нагреву покрышки. Это является основной причиной нагрева.

2. Трение качения. При движении колеса по дороге возникает сила трения качения, направленная против движения. Двигатель автомобиля совершает работу по преодолению этой силы. Эта работа также переходит в тепло, нагревая как саму покрышку, так и дорожное полотно.

3. Трение о воздух. Вращающиеся с большой скоростью колёса испытывают трение о воздух, что также вносит свой, хотя и меньший, вклад в их нагрев.

Ответ: Покрышки колёс автомобиля сильно нагреваются из-за преобразования механической работы в тепловую энергию в результате внутреннего трения в материале шины при её постоянной деформации и трения качения о поверхность дороги.

Какие превращения кинетической энергии автомобиля при этом происходят?

Чтобы автомобиль двигался с постоянной скоростью, его двигатель должен постоянно совершать работу, преодолевая силы сопротивления, включая трение качения и сопротивление воздуха. Эта работа восполняет потери энергии, которые в противном случае привели бы к уменьшению кинетической энергии автомобиля (т.е. к его замедлению).

Таким образом, происходят следующие превращения энергии:

Механическая работа, совершаемая двигателем для поддержания движения, непрерывно преобразуется во внутреннюю энергию (тепло) из-за работы сил трения. Часть этой энергии нагревает покрышки, часть — дорожное полотно и окружающий воздух.

Если же рассматривать ситуацию, когда автомобиль движется по инерции (например, с выключенным двигателем), то его кинетическая энергия напрямую переходит во внутреннюю энергию. Силы трения совершают отрицательную работу, уменьшая кинетическую энергию автомобиля $E_k = \frac{mv^2}{2}$ и увеличивая внутреннюю энергию шин, дороги и воздуха. В результате автомобиль замедляется, а покрышки нагреваются.

Ответ: Часть механической энергии автомобиля (конкретнее — работа, совершаемая двигателем против сил трения для поддержания скорости, или сама кинетическая энергия при торможении/движении по инерции) преобразуется во внутреннюю энергию (тепло) покрышек, дороги и воздуха из-за действия сил трения.