Номер 5, страница 12 - гдз по физике 9 класс самостоятельные работы Генденштейн, Орлов

Самостоятельная работа 2. Законы Ньютона. Вариант 1 - номер 5, страница 12.

Условие.

5. Автомобиль едет равномерно по площади, совершая поворот по дуге окружности. Равнодействующая всех сил, приложенных к автомобилю, при этом направлена:

А. вертикально вверх;

Б. вертикально вниз;

В. горизонтально к центру окружности;

Г. горизонтально от центра окружности.

Решение.

Решение

Согласно второму закону Ньютона, равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равна произведению массы тела на его ускорение: $ \vec{F}_{равн} = m\vec{a} $. Направление вектора равнодействующей силы совпадает с направлением вектора ускорения.

Автомобиль движется равномерно по дуге окружности. Равномерное движение по окружности означает, что модуль скорости автомобиля $ v $ постоянен, но направление вектора скорости постоянно изменяется. Любое изменение вектора скорости означает, что тело движется с ускорением. В данном случае это центростремительное (или нормальное) ускорение, которое характеризует изменение направления скорости. Вектор центростремительного ускорения $ \vec{a_ц} $ всегда направлен перпендикулярно вектору скорости, к центру окружности траектории.

Поскольку ускорение автомобиля направлено к центру окружности, то и равнодействующая всех сил, приложенных к нему, согласно второму закону Ньютона, также должна быть направлена к центру окружности.

Рассмотрим действующие на автомобиль силы:

1. В вертикальной плоскости: сила тяжести $ m\vec{g} $, направленная вниз, и сила нормальной реакции опоры $ \vec{N} $, направленная вверх. Так как автомобиль движется по горизонтальной площади, эти силы уравновешивают друг друга, и их сумма равна нулю.
2. В горизонтальной плоскости: сила тяги двигателя, силы сопротивления (трения качения и сопротивления воздуха) и сила трения покоя между шинами и дорогой, направленная перпендикулярно скорости. Поскольку движение равномерное (скорость по модулю постоянна), сила тяги и силы сопротивления, действующие вдоль касательной к траектории, также уравновешены. Единственной нескомпенсированной силой остается сила трения, направленная к центру окружности, которая и создает центростремительное ускорение.

Таким образом, равнодействующая всех сил, приложенных к автомобилю, является центростремительной силой, которая направлена горизонтально к центру окружности.

Проанализируем предложенные варианты:

А. вертикально вверх - неверно, так как силы в вертикальном направлении скомпенсированы.

Б. вертикально вниз - неверно по той же причине.

В. горизонтально к центру окружности - верно. Эта равнодействующая сила является центростремительной силой, необходимой для движения по криволинейной траектории.

Г. горизонтально от центра окружности - неверно. Сила, направленная от центра окружности, заставила бы автомобиль двигаться по траектории с увеличивающимся радиусом, а не по дуге окружности.

Ответ: В.