Номер 463, страница 70 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Законы движения и взаимодействия тел. Потенциальная и кинетическая энергия - номер 463, страница 70.

Условие.

463. Почему легковым автомобилям разрешается ездить по автомагистрали с большей максимальной скоростью, чем грузовым?

Решение.

Разрешение легковым автомобилям двигаться по автомагистралям с большей максимальной скоростью, чем грузовым, продиктовано фундаментальными законами физики и, как следствие, соображениями безопасности. Существует несколько ключевых причин для такого разграничения.

Большая масса и инерция

Масса груженого грузовика может в десятки раз превышать массу легкового автомобиля. Из-за этого грузовики обладают значительно большей инерцией — свойством тела сохранять свою скорость. Это означает, что для изменения скорости более массивного грузовика (как для разгона, так и, что более важно, для торможения) требуется приложить большую силу или действовать силой в течение более длительного времени. В экстренной ситуации это делает грузовик гораздо менее "отзывчивым" на действия водителя.

Длина тормозного пути

Тормозной путь — это расстояние, которое проходит транспортное средство с момента нажатия на педаль тормоза до полной остановки. Он напрямую зависит от кинетической энергии, которую необходимо рассеять тормозной системе. Кинетическая энергия вычисляется по формуле: $E_k = \frac{1}{2}mv^2$, где $m$ – масса, а $v$ – скорость.
При одинаковой скорости $v$ грузовик с гораздо большей массой $m$ обладает во много раз большей кинетической энергией. Всю эту энергию тормоза должны преобразовать в тепло. Это приводит к двум последствиям:
1. Тормозные системы грузовиков испытывают колоссальные нагрузки и могут перегреваться, что снижает их эффективность (эффект "фединга" тормозов).
2. Даже при идеально работающих тормозах, из-за большей инерции и времени срабатывания сложных пневматических тормозных систем, тормозной путь грузовика всегда будет больше, чем у легкового автомобиля при равных начальных скоростях.
Более низкая разрешенная скорость компенсирует этот фактор, сокращая кинетическую энергию и, следовательно, тормозной путь грузовика до более безопасных значений.

Разрушительная сила при ДТП

Последствия столкновения напрямую зависят от кинетической энергии участвующих в нем транспортных средств. Так как энергия грузовика во много раз больше, ДТП с его участием носит гораздо более разрушительный характер. Ограничение скорости для грузовиков является критически важной мерой для снижения тяжести возможных аварий. Важно отметить, что зависимость кинетической энергии от скорости квадратичная ($E_k \sim v^2$). Это значит, что даже небольшое снижение скорости приводит к существенному уменьшению разрушительной энергии. Например, снижение скорости на 20% (со 110 км/ч до 88 км/ч) уменьшает кинетическую энергию на 36%.

Устойчивость и управляемость

Грузовые автомобили имеют высокий центр тяжести, большие габариты и длинную колесную базу. Это делает их менее устойчивыми по сравнению с легковыми автомобилями, особенно при совершении маневров на высокой скорости (например, объезд препятствия или прохождение поворота). Высокая скорость значительно увеличивает риск заноса или опрокидывания грузовика.

Ответ: Легковым автомобилям разрешается ездить с большей скоростью, чем грузовым, по нескольким причинам, связанным с безопасностью дорожного движения, которые вытекают из их физических различий. Основные факторы — это:
1. Большая масса и инерция грузовиков: им требуется значительно большее расстояние для остановки.
2. Огромная кинетическая энергия: при столкновении грузовик наносит гораздо большие разрушения, а ограничение скорости существенно снижает эту энергию, так как она пропорциональна квадрату скорости ($E_k = \frac{1}{2}mv^2$).
3. Низкая устойчивость и управляемость: на высоких скоростях грузовики более склонны к потере управления и опрокидыванию из-за своего высокого центра тяжести и больших габаритов.