Номер 188, страница 34 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Законы движения и взаимодействия тел. Третий закон Ньютона - номер 188, страница 34.

Условие.

188. Космонавту, находящемуся в открытом космосе, необходимо вернуться на корабль. Как это сделать, если оттолкнуться ногами не от чего, так как нет опоры? Предложите разные способы.

Решение.

Для того чтобы вернуться на корабль в условиях открытого космоса, где отсутствует внешняя опора, космонавту необходимо использовать закон сохранения импульса. Этот закон гласит, что суммарный импульс замкнутой системы тел остается постоянным. Если космонавт и его снаряжение изначально неподвижны относительно корабля, их суммарный импульс равен нулю. Чтобы начать движение, космонавт должен отделить от себя некоторую массу, придав ей скорость. В результате сам космонавт приобретет скорость, направленную в противоположную сторону, так как суммарный импульс системы должен остаться равным нулю. Математически для системы из двух тел (космонавт и отбрасываемый предмет) это выражается формулой:

$m_{к}\vec{v_{к}} + m_{п}\vec{v_{п}} = 0$

где $m_{к}$ и $\vec{v_{к}}$ — масса и скорость космонавта, а $m_{п}$ и $\vec{v_{п}}$ — масса и скорость отброшенного предмета. Отсюда скорость космонавта будет равна $\vec{v_{к}} = -\frac{m_{п}}{m_{к}}\vec{v_{п}}$.

Основываясь на этом принципе, можно предложить несколько способов возвращения на корабль.

Способ 1: Использование реактивного ранца

Это штатный и наиболее безопасный способ. Современные скафандры оснащены специальными установками для маневрирования (например, система SAFER в американских скафандрах). Они представляют собой ранец с набором небольших сопел, из которых под давлением выбрасывается сжатый газ (обычно азот). Выбрасывая струю газа в одном направлении, космонавт, согласно закону сохранения импульса, получает ускорение в противоположном направлении. Это позволяет точно и контролируемо перемещаться в пространстве.

Ответ: Использовать штатное устройство для маневрирования (реактивный ранец), работающее по принципу реактивного движения.

Способ 2: Бросок предмета

Если специального устройства нет, космонавт может использовать любой предмет, который у него есть с собой, например, рабочий инструмент (гаечный ключ, молоток), камеру или любую другую часть снаряжения. Чтобы начать движение к кораблю, нужно с максимальной силой бросить этот предмет в направлении, строго противоположном кораблю. Чем больше масса брошенного предмета и чем выше скорость броска, тем большую скорость приобретет сам космонавт. Этот способ требует точности, так как неверное направление броска отправит космонавта в сторону от корабля.

Ответ: Бросить какой-либо тяжелый предмет в сторону, противоположную направлению к космическому кораблю.

Способ 3: Выпуск газа из баллона

В качестве импровизированного реактивного двигателя можно использовать баллон со сжатым газом, например, запасной кислородный баллон. Открыв вентиль и направив струю выходящего газа в сторону от корабля, космонавт создаст реактивную тягу, которая будет толкать его в нужном направлении. Этот способ является аварийным и потенциально опасным.

Ответ: Создать реактивную тягу, выпустив струю газа из баллона в направлении от корабля.

Способ 4: Использование страховочного троса (фала)

При плановых выходах в космос космонавты всегда соединены с кораблем страховочным тросом. Если трос не отсоединился, то это самый простой и очевидный способ вернуться. Космонавту достаточно просто подтянуться к кораблю, перебирая трос руками. В данном случае используется внешняя сила (сила натяжения троса), и система "космонавт-корабль" не является замкнутой.

Ответ: Если космонавт соединен с кораблем страховочным тросом, подтянуться по нему.

Важно отметить, что попытки "плыть" в космосе, совершая движения руками и ногами, как в воде, не приведут к успеху. Перемещение конечности в одну сторону вызовет смещение тела в другую, но возвращение конечности в исходное положение вернет и тело в исходное состояние. В результате центр масс системы "космонавт" останется на месте, и поступательного движения не возникнет.