Номер 1, страница 48 - гдз по физике 9 класс тетрадь-тренажёр Артеменков, Белага

III. Основы статики. Смотрим и думаем - номер 1, страница 48.

Условие.

1. На рисунке изображена игрушка неваляшка. После наклона эта игрушка возвращается в исходное положение устойчивого равновесия. Объясните, почему так происходит.

Решение.

Решение

Способность игрушки-неваляшки возвращаться в исходное положение устойчивого равновесия объясняется низким расположением её центра тяжести. Внутри полого корпуса неваляшки, в её широком сферическом основании, закреплён тяжёлый груз. Благодаря этому центр тяжести всей игрушки находится очень низко, ниже центра кривизны её основания.

Положение тела называется устойчивым равновесием, если при малом отклонении от этого положения возникает сила или момент сил, стремящийся вернуть тело обратно. Это состояние соответствует минимуму потенциальной энергии системы. Для неваляшки в вертикальном положении её центр тяжести находится в самой низкой точке, что и является положением устойчивого равновесия.

Когда игрушку наклоняют, её основание перекатывается, и центр тяжести поднимается. Это приводит к увеличению потенциальной энергии игрушки ($E_p = mgh$, где $\text{h}$ — высота центра тяжести). Согласно принципу минимума потенциальной энергии, любая механическая система стремится занять положение с наименьшей потенциальной энергией. Сила тяжести, приложенная к поднявшемуся центру тяжести, создаёт вращающий момент относительно точки опоры. Этот момент стремится вернуть центр тяжести в его первоначальное, самое низкое положение. Именно этот возвращающий момент и заставляет неваляшку выпрямиться.

Ответ: Неваляшка возвращается в исходное положение, потому что её центр тяжести расположен очень низко. При наклоне центр тяжести поднимается, и под действием силы тяжести возникает возвращающий момент, который стремится опустить центр тяжести в самое низкое положение, соответствующее устойчивому равновесию.