Номер 135, страница 27 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Законы движения и взаимодействия тел. Второй закон Ньютона - номер 135, страница 27.

Условие.

135. Укажите и сравните силы, действующие на поезд, когда он: а) неподвижно стоит на горизонтальном участке железной дороги; б) трогается с места; в) движется равномерно и прямолинейно по горизонтальному участку дороги; г) двигаясь равномерно, поворачивает; д) тормозит на горизонтальном участке дороги.

Решение.

а) неподвижно стоит на горизонтальном участке железной дороги

На неподвижный поезд действуют две силы: сила тяжести $F_{тяж}$, направленная вертикально вниз, и сила нормальной реакции опоры $N$, направленная вертикально вверх. Поскольку поезд находится в состоянии покоя, его ускорение равно нулю ($a=0$). Согласно первому закону Ньютона, равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна нулю. В данном случае это означает, что сила тяжести полностью компенсируется силой нормальной реакции опоры. В горизонтальном направлении силы отсутствуют, так как нет ни движения (сила сопротивления $F_{сопр} = 0$), ни тяги двигателя (сила тяги $F_{тяги} = 0$).

Ответ: На поезд действуют сила тяжести и сила нормальной реакции опоры, которые равны по модулю и противоположны по направлению ($F_{тяж} = N$). Равнодействующая всех сил равна нулю.

б) трогается с места

Когда поезд трогается с места, он начинает двигаться с ускорением ($a > 0$), направленным в сторону движения. На поезд действуют следующие силы:

• Вертикальные: сила тяжести $F_{тяж}$ и сила нормальной реакции опоры $N$. Так как в вертикальном направлении движения нет, эти силы уравновешивают друг друга: $N = F_{тяж}$.
• Горизонтальные: сила тяги $F_{тяги}$, создаваемая двигателем и направленная вперед, и сила сопротивления движению $F_{сопр}$ (трение, сопротивление воздуха), направленная назад.

Согласно второму закону Ньютона, ускорение возникает под действием ненулевой равнодействующей силы ($F_{рез} = ma$). Так как ускорение направлено в сторону движения, сила тяги должна быть больше силы сопротивления: $F_{тяги} > F_{сопр}$.

Ответ: На поезд действуют сила тяжести, сила нормальной реакции опоры, сила тяги и сила сопротивления. Сила тяжести равна силе нормальной реакции опоры ($N = F_{тяж}$). Сила тяги больше силы сопротивления ($F_{тяги} > F_{сопр}$). Равнодействующая сила не равна нулю и направлена в сторону движения.

в) движется равномерно и прямолинейно по горизонтальному участку дороги

При равномерном и прямолинейном движении скорость поезда постоянна ($v = const$), а ускорение равно нулю ($a=0$). На поезд действуют те же четыре силы, что и в предыдущем случае: сила тяжести $F_{тяж}$, сила нормальной реакции опоры $N$, сила тяги $F_{тяги}$ и сила сопротивления $F_{сопр}$. Согласно первому закону Ньютона, если ускорение равно нулю, то равнодействующая всех сил также равна нулю. Это означает, что все силы скомпенсированы:

• В вертикальном направлении: $N = F_{тяж}$.
• В горизонтальном направлении: $F_{тяги} = F_{сопр}$.

Ответ: На поезд действуют сила тяжести, сила нормальной реакции опоры, сила тяги и сила сопротивления. Сила тяжести равна силе нормальной реакции опоры ($N = F_{тяж}$), а сила тяги равна силе сопротивления ($F_{тяги} = F_{сопр}$). Равнодействующая всех сил равна нулю.

г) двигаясь равномерно, поворачивает

Движение с постоянной по модулю скоростью по криволинейной траектории является движением с ускорением. Это ускорение называется центростремительным ($a_ц$), и оно направлено к центру поворота. На поезд действуют:

• Вертикальные силы: сила тяжести $F_{тяж}$ и сила нормальной реакции опоры $N$. Они уравновешены: $N = F_{тяж}$.
• Горизонтальные силы в направлении движения (по касательной): сила тяги $F_{тяги}$ и сила сопротивления $F_{сопр}$. Так как скорость по модулю постоянна, эти силы уравновешены: $F_{тяги} = F_{сопр}$.
• Горизонтальная сила, перпендикулярная направлению движения (к центру поворота): боковая сила со стороны рельсов $F_ц$. Эта сила не скомпенсирована и создает центростремительное ускорение. Она и является равнодействующей всех сил: $F_{рез} = F_ц = m a_ц$.

Ответ: На поезд действуют сила тяжести, сила нормальной реакции опоры, сила тяги, сила сопротивления и боковая сила от рельсов. Вертикальные силы и горизонтальные силы вдоль направления движения попарно уравновешены. Равнодействующая всех сил не равна нулю, она равна боковой силе и направлена к центру поворота.

д) тормозит на горизонтальном участке дороги

При торможении скорость поезда уменьшается, что означает наличие ускорения, направленного против движения (замедление, $a < 0$). На поезд действуют:

• Вертикальные силы: сила тяжести $F_{тяж}$ и сила нормальной реакции опоры $N$, которые уравновешены: $N = F_{тяж}$.
• Горизонтальные силы: сила тяги $F_{тяги}$ (которая может быть уменьшена или равна нулю), сила сопротивления $F_{сопр}$ и тормозная сила $F_{торм}$ (создаваемая тормозной системой). Сила сопротивления и тормозная сила направлены против движения.

Так как поезд замедляется, равнодействующая сила направлена против движения. Это означает, что сумма сил, направленных против движения, больше силы тяги: $F_{сопр} + F_{торм} > F_{тяги}$.

Ответ: На поезд действуют сила тяжести, сила нормальной реакции опоры, силы сопротивления и торможения. Сила тяжести равна силе нормальной реакции опоры ($N = F_{тяж}$). Сумма сил сопротивления и торможения больше силы тяги ($F_{сопр} + F_{торм} > F_{тяги}$). Равнодействующая сила не равна нулю и направлена против движения поезда.