Номер 47, страница 295 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Задачи и упражнения - номер 47, страница 295.

Условие.

47. Лошадь везёт телегу. Но по третьему закону Ньютона телега тянет лошадь назад с точно такой же по значению силой, с какой лошадь тянет телегу вперёд. Тогда почему же именно лошадь везёт телегу, а не наоборот? Почему они вообще движутся?

Решение.

Этот вопрос является классическим примером, иллюстрирующим распространенное заблуждение при применении третьего закона Ньютона. Ошибка заключается в том, что силы действия и противодействия, о которых говорит закон, приложены к разным телам. Следовательно, они не могут уравновесить или скомпенсировать друг друга. Для определения движения конкретного тела необходимо рассматривать векторную сумму всех сил, приложенных именно к этому телу, в соответствии со вторым законом Ньютона ($F_{равн} = ma$).

Почему же именно лошадь везёт телегу, а не наоборот?

Чтобы разобраться в этом, необходимо проанализировать силы, действующие на лошадь и телегу по отдельности.

На телегу в горизонтальном направлении действуют две основные силы:
1. Сила тяги со стороны лошади $F_{\text{л} \to \text{т}}$, направленная вперёд.
2. Сила трения качения колёс и сопротивления воздуха $F_{\text{тр,т}}$, направленная назад.
Телега начнёт двигаться вперёд, если сила тяги, создаваемая лошадью, окажется больше силы трения, действующей на телегу: $F_{\text{л} \to \text{т}} > F_{\text{тр,т}}$.

На лошадь в горизонтальном направлении действуют три основные силы:
1. Сила, с которой земля толкает лошадь вперёд, $F_{\text{отт}}$. Это сила реакции опоры, возникающая из-за того, что лошадь отталкивается копытами от земли назад. Именно эта сила является движущей.
2. Сила, с которой телега тянет лошадь назад, $F_{\text{т} \to \text{л}}$. Согласно третьему закону Ньютона, эта сила равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой лошадь тянет телегу ($|F_{\text{т} \to \text{л}}| = |F_{\text{л} \to \text{т}}|$).
3. Сила сопротивления воздуха $F_{\text{тр,л}}$, направленная назад.
Лошадь сможет двигаться вперёд, только если движущая сила отталкивания от земли будет больше суммы всех сил, тормозящих её движение: $F_{\text{отт}} > F_{\text{т} \to \text{л}} + F_{\text{тр,л}}$.

Таким образом, лошадь везёт телегу потому, что она способна создать силу отталкивания от земли, которая превышает силу сопротивления со стороны телеги и другие силы трения.

Почему они вообще движутся?

Движение всей системы «лошадь + телега» возможно благодаря наличию внешней силы. Силы взаимодействия между лошадью и телегой ($F_{\text{л} \to \text{т}}$ и $F_{\text{т} \to \text{л}}$) являются внутренними для этой системы. Внутренние силы, по третьему закону Ньютона, всегда равны по модулю и противоположны по направлению, поэтому их сумма равна нулю, и они не могут изменить скорость движения центра масс системы.

Движение возникает благодаря взаимодействию лошади с землёй. Лошадь толкает землю назад, а земля (внешнее по отношению к системе тело) толкает лошадь вперёд силой $F_{\text{отт}}$. Эта сила является внешней движущей силой для всей системы. Если эта внешняя сила $F_{\text{отт}}$ больше, чем сумма всех внешних сил трения, действующих на систему ($F_{\text{тр,т}} + F_{\text{тр,л}}$), то система «лошадь + телега» будет двигаться с ускорением.

Ответ: Движение системы «лошадь-телега» происходит не потому, что сила тяги лошади больше силы сопротивления телеги, а потому, что существует внешняя движущая сила — сила, с которой земля толкает лошадь вперёд в ответ на её отталкивание назад. Эта сила должна быть больше, чем суммарные силы трения, действующие на лошадь и телегу. Силы взаимодействия между лошадью и телегой являются внутренними, приложены к разным телам, поэтому они не уравновешивают друг друга и не могут быть причиной отсутствия движения.