Номер 1, страница 87 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Почему самолёт при повороте наклоняется в сторону поворота, а корабль — в противоположную сторону?

Различие в наклоне самолёта и корабля при повороте объясняется принципиально разным способом создания поворачивающей (центростремительной) силы и расположением центра масс относительно точки приложения этой силы.

Почему самолёт при повороте наклоняется в сторону поворота

Для выполнения поворота любому телу, движущемуся по дуге, необходима центростремительная сила, направленная к центру этой дуги. У самолёта эта сила создаётся за счёт подъёмной силы крыльев. В прямолинейном горизонтальном полёте подъёмная сила $F_{под}$ направлена вертикально вверх и уравновешивает силу тяжести $mg$. Чтобы повернуть, пилот наклоняет самолёт (создаёт крен) в сторону поворота. В результате этого наклона вектор подъёмной силы, который всегда перпендикулярен плоскости крыльев, также наклоняется.

Теперь подъёмную силу $F_{под}$ можно разложить на две составляющие:

- Вертикальную составляющую $F_y$, которая по-прежнему противодействует силе тяжести и удерживает самолёт на той же высоте.

- Горизонтальную составляющую $F_x$, которая направлена в сторону наклона, то есть к центру поворота.

Именно эта горизонтальная составляющая $F_x$ и является той самой центростремительной силой $F_ц$, которая заставляет самолёт изменять траекторию и двигаться по дуге: $F_ц = F_x = \frac{mv^2}{R}$, где $m$ — масса самолёта, $v$ — его скорость, а $R$ — радиус поворота.

Таким образом, самолёт специально наклоняется в сторону поворота, чтобы создать необходимую для манёвра центростремительную силу. Этот манёвр называется "правильный вираж" или "скоординированный поворот".

Почему корабль при повороте наклоняется в противоположную сторону

У корабля ситуация иная. Поворот осуществляется с помощью руля, который отклоняет поток воды и создаёт поперечную силу, действующую на корму. Однако основная центростремительная сила, которая заставляет весь корпус корабля двигаться по дуге, возникает из-за давления воды на борт, обращённый к центру поворота.

Ключевую роль здесь играет расположение двух точек:

- Центр тяжести (ЦТ) — точка, в которой условно сосредоточен вес всего корабля. Она обычно находится достаточно высоко, выше ватерлинии.

- Центр давления (ЦД) — точка приложения равнодействующей силы давления воды на подводную часть корпуса. Она всегда находится ниже ватерлинии.

Когда корабль входит в поворот, на его подводную часть действует центростремительная сила (со стороны воды), направленная к центру поворота. В то же время на корабль действует сила инерции, которая приложена к центру тяжести и направлена в противоположную сторону (от центра поворота).

Поскольку центр тяжести (ЦТ) расположен выше центра давления (ЦД), эта пара сил создаёт вращающий момент, который и наклоняет (кренит) корабль наружу, то есть в сторону, противоположную повороту. Верхняя часть корабля по инерции стремится "вылететь" из поворота, в то время как подводная часть удерживается водой.

Ответ: Самолёт наклоняется в сторону поворота, чтобы с помощью горизонтальной составляющей подъёмной силы крыла создать центростремительную силу, необходимую для изменения траектории. Корабль же наклоняется в противоположную сторону из-за того, что центростремительная сила со стороны воды приложена к подводной части корпуса (ниже центра тяжести), а сила инерции приложена к центру тяжести (расположенному выше). Эта пара сил создаёт вращающий момент, который кренит корабль наружу от центра поворота.