Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

Это и означает, что нижняя точка реборды движется относительно земли в направлении, противоположном направлению движения поезда. Конечно, это так лишь на короткий миг, потому что из-за вращения колеса нижняя точка быстро перестает быть нижней. Если пометить точку на реборде краской и заснять ее движение относительно земли на камеру, мы увидим траекторию движения, показанную на рис. 39.

Рис. 39

III. Взаимодействие тел

5. Инерция. Силы. Законы Ньютона

16. Мокрый зонт

С зонта таким образом стряхивают воду – тогда в помещении не натечет лужа, да и зонт быстрее просохнет. Принцип довольно прост: рука относительно медленно разгоняет зонт по дуге, а потом резко его останавливает. Капли воды, набрав скорость, продолжают движение по инерции и слетают с зонта.

Этот же принцип используют собаки, когда отряхиваются после купания, и те же физические закономерности позволяют сбросить значения ртутного градусника («стряхнуть градусник») перед новым использованием.

17. Загадочный топор

Туристическое снаряжение, особенно для пешего передвижения, стараются сделать максимально легким. Удаление части головы топора прежде всего снижает его вес. Кроме того, площадь щеки топора становится меньше, а это несколько снижает силу трения, удерживающую топор, который застрял в расщепе чурбака.

Со сниженным весом связан и один из недостатков такого топора: им сложнее наносить сильные удары: как мы увидим в задаче 110, чем тяжелее голова топора, тем сильнее получается удар. При колке дров решить эту проблему можно с помощью «обратного» удара, который описан в той же задаче. В остальных случаях с более слабым ударом приходится мириться, полагаясь на то, что задачи, которые решает турист, все же отличаются от задач лесоруба или плотника.

Кроме того, удаление части головы топора снижает ее прочность, то есть такой топор, вообще говоря, имеет более высокие шансы сломаться при большой нагрузке, однако в походах такая нагрузка возникает нечасто.

18. Потерявшаяся сила

Часто в качестве силы, парной к силе тяжести, называют силу реакции опоры – силу, с которой стол воздействует на учебник, не давая ему провалиться вниз. Эта сила действительно имеет такую же величину, как сила тяжести, и направлена противоположно ей. Однако третий закон Ньютона говорит о силах, приложенных к разным телам, а сила притяжения со стороны Земли и сила реакции опоры со стороны стола обе приложены к одному и тому же телу – учебнику. Кроме того, если мы поставим стол в ускоряющийся лифт, то сила тяжести и сила реакции опоры будут отличаться друг от друга по величине (подробнее мы обсудим это в задаче 31), а это прямо противоречит тому поведению парных сил, которое предписывает третий закон Ньютона. Значит, считать парной для гравитационной силы силу реакции опоры – ошибка.

Третий закон Ньютона описывает взаимодействие тел, то есть воздействие тел друг на друга. Если земной шар действует силой тяжести на учебник, лежащий на столе, то «силой противодействия» должна быть сила, с которой учебник действует на земной шар. Что это за сила?

19. Трактор против скалы

Сначала переведем на физический язык слово «скорее» и тем самым немного переформулируем вопрос.

Трактор наращивает усилие пусть и быстро, но постепенно. Канат порвется тогда, когда сила его натяжения превысит определенное пороговое значение. Так что нам, по сути дела, нужно ответить на вопрос, кому нужно будет тянуть сильнее – одному трактору или каждому из двух тракторов – в тот момент, когда натяжение каната достигнет предела.

Все участвующие в процессе тела (тракторы, канат, стена) покоятся, а это означает, что силы, действующие на каждое из них, уравновешены. Рассмотрим в подробностях, что это за силы.

Начнем с трактора, который тянет прикрепленный к стене канат. В вертикальном направлении на трактор действует сила тяжести и сила реакции опоры, которые уравновешивают друг друга. По горизонтали на трактор действуют силы трения в тех точках, где колеса касаются дороги (в задаче 33 мы увидим, что именно силы трения приводят трактор в движение), – они толкают трактор вперед. Назад трактор тянет сила, вызванная натяжением каната (эту силу мы называем «силой натяжения» и обычно обозначаем буквой T). Поскольку трактор неподвижен, эти силы уравновешивают друг друга. Стараясь сдвинуть трактор с места, тракторист заставляет двигатель сильнее крутить колеса, так что силы трения, которые препятствуют прокручиванию колес, вырастают, а вместе с ними вырастает и сила натяжения каната – до тех пор, пока не порвется канат (рис. 40). (Конечно, могут просто начать проскальзывать колеса – но этот вариант мы исключим, поскольку условие задачи подразумевает, что трактор в состоянии порвать канат).

Рис. 40