Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

Проведя по поверхности куска сыра лезвием ножа, расположенным плашмя, вы заметите, что сила трения между ладонью и сыром очень велика. Из-за этого обычный нож «застревает» в сыре – резать им сыр очень трудно, это требует больших усилий. Отверстия в сырном ноже уменьшают поверхность контакта и тем самым сокращают трение. Сырный нож в виде струны на каркасе доводит эту идею до предела: тонкая струна обладает достаточно хорошими режущими свойствами, а поверхности у нее почти нет.

Кстати, тот же принцип работает в случае ручного лобзика: тонкость его полотна не только позволяет легко менять направление распила, но и снижает трение.

35. Опасная красота

Вы наверняка наслышаны об опасности банановой кожуры на полу, а возможно, и сами поскальзывались на ней. Банан в этом не уникален – заметная скользкость свойственна неодревесневшим частям любых растений: поскользнуться с тем же успехом можно и на огрызке яблока, и на виноградине, а половинки картофелин иногда подкладывают под тяжелую мебель, чтобы ее переместить. Листья деревьев – не исключение, а осенью они часто бывают еще и мокрыми из-за частых дождей. Мокрый ковер листьев образует на асфальте очень скользкий слой, на котором автомобиль ведет себя примерно так же, как на льду.

36. Узел без узла

Между столбом и веревкой действует сила трения. Эта сила тем больше, чем больше площадь контакта между веревкой и столбом, то есть чем больше витков веревки намотано на столб. Потянув за веревку, мы усиливаем натяжение и плотнее прижимаем ее к столбу, что дополнительно увеличивает силу трения и не дает веревке соскользнуть.

Этот принцип используется при швартовке кораблей: швартов (швартовочный канат) наматывается в несколько оборотов на причальные тумбы и лишь затем завязывается – это снижает нагрузку на узел.

37. Разгоняемся и тормозим

В задаче 33 мы уже видели, что автомобиль двигается вперед благодаря силе трения. Торможение автомобиля тоже происходит благодаря силе трения – только сила трения в этом случае направлена против движения автомобиля и замедляет его.

Чтобы упростить анализ, будем считать, что вес машины равномерно распределен между всеми колесами, а торможение происходит с максимально возможной силой трения покоя. В грубом приближении максимальная сила трения покоя и сила трения скольжения равны друг другу и связаны простым приближенным соотношением с силой, прижимающей колесо к земле, – то есть с весом, приходящимся на одно колесо:

F = µ P,

где µ – коэффициент трения. (На практике сила трения скольжения несколько ниже максимальной силы трения покоя. Водители знают, что торможение «юзом», то есть с заблокированными, невращающимися колесами менее эффективно, чем торможение с «почти заблокированными» колесами, и именно на предотвращение полной остановки колес направлена работа антиблокировочной системы в современных автомобилях. Однако мы этой разницей пренебрежем.) Поскольку тормозят все четыре колеса, то силы суммируются и полная тормозная сила равна 4F.

Когда автомобиль разгоняется, разгон будет тем быстрее, чем больше сила трения между колесами и асфальтом. Максимальное значение силы снова описывается той же формулой, а если двигатель создает большее усилие, колеса просто начинают прокручиваться по асфальту, что сопровождается характерным «визгом» шин.

Однако на автомобилях с передним или задним приводом двигатель вращает только два колеса из четырех, так что на таких автомобилях предельная сила, разгоняющая автомобиль, равна всего 2F, то есть разгон происходит примерно вдвое хуже торможения. А вот полноприводный автомобиль имеет хорошие шансы разгоняться эффективнее передне- или заднеприводного, особенно на скользком покрытии. У водителей «джипов» эффективность разгона иногда создает ложное ощущение, что и тормозить полноприводная машина будет увереннее – но теперь мы знаем, почему это не так.

В нашем анализе нет разницы между передним и задним приводом. Однако, если вы учтете результаты задачи 52, она появится. Какой автомобиль будет разгоняться резвее: переднеприводный или заднеприводный?

38. Антикрыло для антиполета

В самолете крыло создает «подъемную силу» – силу, поднимающую самолет вверх. Само название «антикрыло» подсказывает, что антикрыло должно давать противоположный эффект – и это действительно так: набегая на антикрыло, воздушный поток создает дополнительную прижимающую силу. Но зачем она нужна?

Вспомним, что автомобиль разгоняется и тормозит (а на самом деле и маневрирует) благодаря силе трения (задача 33): чем больше сила трения, тем лучше разгон, торможение и управляемость. Максимально возможная сила трения зависит от того, как сильно колеса прижимаются к дороге. Но именно за это и отвечает прижимающая сила!

39. Погрузка – это искусство!

Общая масса автомобиля с прицепом не изменится от того, разместят ли друзья тяжелый груз в самой машине или в прицепе. Тогда, может быть, никакой разницы нет?