Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

Для определенности допустим, что речь идет о разрезании колбасы. Мысленно наметим на батоне колбасы точку P прямо под лезвием ножа и посмотрим, по какой траектории она движется относительно лезвия.

Если резать надавливанием сверху, точка P проходит по вертикальной линии (рис. 43, а). Представим себе, что мы рассекли сам нож по этой линии. В этом случае мы увидели бы картину, показанную на рис. 43, б.

Рис. 43

Если нож движется не только вниз, но и, к примеру, вперед, точка P пройдет по наклонной траектории (рис. 44, а). В этом случае сечение ножа по этой линии выглядело бы так, как показано на рис. 44, б.

Рис. 44

Внизу острие, вверху такое же основание треугольника, но сам треугольник более высокий – а значит, у него более острый угол при вершине. При таком движении нож становится как будто бы острее!

(Конечно, в действительности сечение ножа по форме сложнее треугольника, но на наш вывод это не повлияет.)

22. Как сделать склон пологим

Если позволяют условия и склон достаточно короткий, можно, конечно, преодолеть его с разгона. Но есть еще одно решение: можно подниматься не «в лоб», а «по диагонали» (рис. 45). При такой траектории движения наклон, преодолеваемый автомобилем, будет значительно более пологим.

Рис. 45

Пологий наклон легче преодолевать – мы знаем это из собственного жизненного опыта, но это можно показать строгими физическими рассуждениями, нарисовав диаграмму сил, действующих на тело (сделайте это!).

Применяя эту хитрость, важно следить, чтобы автомобиль не перевернулся: при движении вдоль склона это происходит легче, чем на подъеме (почему?).

23. Как сделать склон пологим – 2

Это снижает усилие, стремящееся сдвинуть машину с места: колесо, стоящее под углом к склону, находится на траектории, расположенной под более пологим углом к горизонтали (рис. 46).

Рис. 46

Этим можно пользоваться и для того, чтобы избежать отката назад, когда трогаешься в гору.

Если по краям проезжей части есть бордюр, водитель поворачивает руль так, чтобы при скатывании переднее колесо рядом с бордюром уперлось в бордюр.

24. Занимательные подтягивания

Проанализировать, как работает та механическая конструкция из костей, мышц, суставов, связок, которая поднимает наше тело во время подтягивания на турнике, – задача сама по себе очень интересная и познавательная. Получается довольно сложное сочетание сил и моментов сил, однако для ответа на вопрос нам достаточно заметить, что каждая рука просто стремится подтянуть свой плечевой сустав к кисти, сжатой вокруг перекладины. Иначе говоря, мы можем считать, что к телу приложены всего три силы: две подъемные создаются «шарнирно-рычажными системами», приложены в плечевых суставах и направлены к кистям рук, а третья – сила тяжести, которая тянет тело вниз.

Если кисти рук расположены на перекладине прямо над плечевыми суставами, подъемные силы направлены строго вверх – уравновешивают силу тяжести. Но если кисти рук раздвинуть в стороны или, наоборот, придвинуть друг к другу, направление подъемной силы перестанет быть вертикальным. Чтобы поднять тело – преодолеть силу тяжести, – вертикальная составляющая подъемной силы должна быть прежней, но теперь из-за наклона силы появляется горизонтальная составляющая. Горизонтальные составляющие двух сил уравновешивают друг друга, но сами силы вынуждены стать больше по величине (рис. 47).

Рис. 47

Значит, подтянуться проще всего, если кисти рук находятся примерно на ширине плеч.

25. Очень ровная веревка

Возьмем небольшой участок веревки где-нибудь посередине между столбиками и посмотрим, какие силы на него действуют. Во-первых, даже маленький участок веревки обладает массой, поэтому на него действует сила тяжести. Во-вторых, поскольку веревка натянута, то слева и справа на этот участок действует сила упругости, возникающая из-за того, что веревка растягивается в длину (рис. 48). По некотором размышлении нам придется признать, что никаких других значимых сил нет.

Рис. 48

Раз наш участок веревки неподвижен, значит, сумма приложенных к нему сил должна быть равна нулю. Силы упругости направлены в противоположные стороны и понятным образом уравновешивают друг друга. Но чем же компенсируется вертикальная сила тяжести? Ничем, пока наш участок веревки не опустится чуть ниже, чтобы силы упругости, действующие со стороны соседних участков, слегка повернулись вверх (рис. 49).

Рис. 49

Но это и означает, что веревка провисла. Другими словами, сила тяжести, действующая на каждый участок веревки, может быть скомпенсирована только в том случае, если веревка провисает.

Значит, веревка может выглядеть непровисшей, но вообще без провисания можно натянуть веревку либо в отсутствие силы тяжести, либо в ситуации, когда воздействие силы тяжести уравновешивается какой-либо другой силой помимо сил упругости в самой веревки. Что это могла бы быть за сила?

26. Рвется там, где… толсто!