Номер 41, страница 82, часть 1 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Механические явления. Глава II. Динамика. Параграф 8. Третий закон Ньютона - номер 41, страница 82.

Условие.

41. Можно ли утверждать, что рыба в воде находится в состоянии невесомости? Обоснуйте свой ответ. Сделайте пояснительный рисунок.

Решение.

Нет, утверждать, что рыба в воде находится в состоянии невесомости, нельзя.

Обоснование

Состояние невесомости — это состояние, в котором вес тела равен нулю. Вес — это сила, с которой тело вследствие притяжения к планете действует на опору или подвес. Невесомость наступает тогда, когда на тело и его опору действует только сила тяжести (состояние свободного падения), в результате чего тело перестает давить на опору.

На рыбу, плавающую в толще воды, действуют две основные, уравновешивающие друг друга, силы: сила тяжести ($F_{тяж}$), направленная вертикально вниз, и выталкивающая сила (сила Архимеда, $F_{А}$), направленная вертикально вверх. Сила тяжести рассчитывается по формуле $F_{тяж} = mg$, где $\text{m}$ — масса рыбы, а $\text{g}$ — ускорение свободного падения. Выталкивающая сила равна $F_{А} = \rho_{в}gV_{т}$, где $\rho_{в}$ — плотность воды, а $V_{т}$ — объем погруженного тела. Когда рыба неподвижно висит в воде, эти силы равны по модулю: $F_{тяж} = F_{А}$.

Ключевое отличие от невесомости заключается в том, что на рыбу действует выталкивающая сила воды, которая, по сути, является силой реакции опоры (опорой в данном случае выступает вода). В состоянии же истинной невесомости (например, у космонавта на орбите) сила реакции опоры отсутствует, так как и космонавт, и космический корабль находятся в состоянии постоянного свободного падения. Таким образом, хотя для рыбы эффект схож с невесомостью (она не ощущает своего веса), физически это состояние называется нейтральной плавучестью, а не невесомостью, так как сила тяжести скомпенсирована другой силой — силой Архимеда, а не отсутствием опоры.

Пояснительный рисунок

На рисунке необходимо схематически изобразить рыбу, находящуюся в воде. К центру рыбы следует приложить два вектора сил. Первый вектор — сила тяжести ($F_{тяж}$), направленный строго вниз. Второй вектор — выталкивающая сила ($F_{А}$), направленный строго вверх. Для рыбы, находящейся в равновесии, длины этих векторов должны быть одинаковыми, что показывает их равенство по модулю.

Ответ: Нет, рыба в воде не находится в состоянии невесомости. Ее состояние — это состояние плавучести, при котором сила тяжести, действующая на рыбу, уравновешена выталкивающей силой (силой Архимеда) со стороны воды. В отличие от невесомости, где единственной действующей силой является гравитация, на рыбу действуют две значительные силы, и она находится не в свободном падении, а опирается на воду.