Номер 1, страница 101 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

1. Изобразите на рисунке силы взаимодействия:

а) колеса велосипеда и поверхности дороги;

б) Солнца и Марса;

в) лежащего на дне реки камня и воды.

а) колеса велосипеда и поверхности дороги

Взаимодействие между колесом велосипеда и поверхностью дороги описывается двумя парами сил в соответствии с третьим законом Ньютона. Рассмотрим эти силы, разделив их на вертикальные и горизонтальные компоненты.

1. Вертикальные силы (силы нормальной реакции):

- Колесо давит на дорогу в точке контакта. Это сила нормального давления, направленная перпендикулярно поверхности дороги, вниз. Обозначим ее $\vec{F}_{давл}$.

- Согласно третьему закону Ньютона, дорога отвечает действием на колесо с силой, равной по модулю и противоположной по направлению. Это сила нормальной реакции опоры $\vec{N}$, направленная перпендикулярно дороге, вверх. Таким образом, $\vec{N} = -\vec{F}_{давл}$. Эти две силы составляют первую пару сил взаимодействия.

Важно отметить, что сила тяжести, действующая на колесо, и сила нормальной реакции $\vec{N}$ не являются парой "действие-противодействие", так как они приложены к одному телу (колесу) и имеют разную природу (гравитационную и электромагнитную соответственно).

2. Горизонтальные силы (силы трения):

- Для приведения велосипеда в движение ведущее колесо, вращаясь, отталкивается от дороги, действуя на нее силой трения покоя $\vec{F}_{тр}'$, направленной в сторону, противоположную движению велосипеда.

- В ответ дорога действует на колесо с силой трения покоя $\vec{F}_{тр}$, направленной вперед, по ходу движения. Именно эта сила и разгоняет велосипед. По третьему закону Ньютона, $\vec{F}_{тр} = -\vec{F}_{тр}'$. Эти две силы трения составляют вторую пару сил взаимодействия.

На схематичном рисунке силы $\vec{F}_{давл}$ и $\vec{F}_{тр}'$ были бы приложены к дороге в точке контакта, а силы $\vec{N}$ и $\vec{F}_{тр}$ — к колесу в той же точке.

Ответ: Силы взаимодействия - это: 1) пара сил нормальной реакции (колесо давит на дорогу, дорога давит на колесо), направленных перпендикулярно поверхности; 2) пара сил трения (ведущее колесо толкает дорогу назад, дорога толкает колесо вперед), направленных параллельно поверхности.

б) Солнца и Марса

Взаимодействие между Солнцем и Марсом — это гравитационное притяжение. Согласно закону всемирного тяготения и третьему закону Ньютона, существуют две взаимные силы:

- Сила притяжения $\vec{F}_{С \rightarrow М}$, с которой Солнце действует на Марс. Эта сила направлена от центра масс Марса к центру масс Солнца и является центростремительной силой, удерживающей Марс на его орбите.

- Сила притяжения $\vec{F}_{М \rightarrow С}$, с которой Марс действует на Солнце. Эта сила равна по модулю и противоположна по направлению силе $\vec{F}_{С \rightarrow М}$, то есть $\vec{F}_{М \rightarrow С} = -\vec{F}_{С \rightarrow М}$. Она направлена от центра масс Солнца к центру масс Марса.

Хотя масса Солнца значительно ($ \approx 9 \cdot 10^6 $ раз) больше массы Марса, силы их взаимного притяжения абсолютно равны по величине. Эта величина определяется по формуле закона всемирного тяготения: $F = G \frac{M_С M_М}{r^2}$, где $G$ — гравитационная постоянная, $M_С$ и $M_М$ — массы Солнца и Марса, а $r$ — расстояние между ними.

На рисунке это можно изобразить как два шара (большой — Солнце, малый — Марс). От центра Марса к центру Солнца рисуется вектор силы $\vec{F}_{С \rightarrow М}$. От центра Солнца к центру Марса рисуется равный ему по длине, но противоположный по направлению вектор силы $\vec{F}_{М \rightarrow С}$.

Ответ: Силы взаимодействия - это пара равных по модулю и противоположно направленных сил гравитационного притяжения, действующих вдоль прямой, соединяющей центры Солнца и Марса. Солнце притягивает Марс, и с точно такой же силой Марс притягивает Солнце.

в) лежащего на дне реки камня и воды

Взаимодействие между камнем, лежащим на дне реки, и водой состоит из нескольких пар сил. Основная пара связана с выталкивающей силой (силой Архимеда).

1. Сила Архимеда и ее реакция:

- Вода действует на погруженный в нее камень с выталкивающей силой, называемой силой Архимеда ($\vec{F}_A$). Эта сила направлена вертикально вверх и возникает из-за разности давлений воды на нижнюю и верхнюю поверхности камня. Ее модуль равен весу воды в объеме, занимаемом камнем: $F_A = \rho_в g V_к$, где $\rho_в$ — плотность воды, $g$ — ускорение свободного падения, $V_к$ — объем камня.

- Согласно третьему закону Ньютона, камень действует на воду с силой, равной по модулю и противоположной по направлению силе Архимеда. Эту силу можно представить как "вес" вытесненной воды, который камень передает окружающей жидкости. Она направлена вертикально вниз. Обозначим ее $\vec{P}_{воды}$, тогда $\vec{P}_{воды} = -\vec{F}_A$.

2. Силы, связанные с течением (гидродинамическое сопротивление):

- Если в реке есть течение, то движущаяся вода действует на камень с силой гидродинамического сопротивления ($\vec{F}_{сопр}$), которая направлена по течению.

- В свою очередь, камень действует на воду с такой же по модулю, но противоположно направленной силой ($\vec{F'}_{сопр}$), тормозя поток воды вблизи себя. По третьему закону Ньютона, $\vec{F'}_{сопр} = -\vec{F}_{сопр}$.

На схематичном рисунке к камню были бы приложены векторы: $\vec{F}_A$ (вверх) и $\vec{F}_{сопр}$ (вдоль течения). К окружающей воде были бы приложены ответные векторы: сила $\vec{P}_{воды}$ (вниз) и сила $\vec{F'}_{сопр}$ (против течения).

Ответ: Основные силы взаимодействия между камнем и водой - это пара "сила Архимеда, действующая на камень со стороны воды" / "сила, с которой камень давит на воду" (вертикальные), а также, при наличии течения, пара "сила сопротивления воды, действующая на камень" / "сила, с которой камень тормозит воду" (горизонтальные).