Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

Как и в задаче 41, такое поведение связано с особенностями силы трения. Если усилие, с которым санки тянут вперед, превышает пороговое значение силы трения, то есть санки уже скользят, то дополнительное боковое усилие заставляет силу трения скольжения поменять направление: она направляется строго против векторной суммы силы тяги и бокового усилия. При этом по абсолютной величине она меньше суммы двух этих усилий, а значит, и ее поперечная составляющая меньше бокового усилия, даже если это усилие невелико (рис. 59).

Рис. 59

По той же причине автомобиль, который движется с заблокированными колесами (то есть с колесами, которые перестали крутиться и проскальзывают по дороге), может от легкого бокового удара или толчка уйти с траектории движения. И по той же причине автомобиль, который стоит боком на скользком склоне, при попытке поехать вдоль может начать соскальзывать вниз по склону.

8. Давление и деформация

43. Фокусы давления

Сравним профили колеса, накачанного как положено, и приспущенного колеса (рис. 60).

Рис. 60

Мы видим, что приспущенное колесо как бы немного «распластывается» по поверхности, расширяя пятно контакта (помечено серой жирной линией).

Теперь сравним эти же колеса сбоку (рис. 61).

Рис. 61

Мы снова видим, что пятно контакта стало больше – теперь в длину. Другими словами, снижение давления в колесах увеличивает как длину, так и ширину пятна контакта шины с поверхностью, то есть увеличивает площадь контакта. Поскольку вес автомобиля остается прежним, а площадь контакта увеличивается, давление на поверхность (вес, деленный на площадь) снижается. Вместе с давлением снижается шанс того, что автомобиль провалится и увязнет.

По той же самой причине на автомобили, предназначенные для бездорожья, с самого начала ставят шины большего диаметра и большей ширины: это тоже увеличивает пятно контакта.

44. Каменная подушка

Интуиция подсказывает, что лежать на камне «твердо» и неудобно. Но чем твердое на самом деле отличается от мягкого? Тем, что мягкое прогибается и принимает нужную форму. Если положить голову на камень, то с камнем будет контактировать очень небольшой участок поверхности головы, и на него будет приходиться весь вес головы. Рецепторы этого участка кожи ощущают большое давление и подают нам сигнал – мы ощущаем неудобство. На мягкой поверхности тот же самый вес головы распределяется по гораздо большей площади, в результате давление снижается и дискомфорт исчезает. Отсюда следует интересный вывод: если сделать каменную подушку по форме головы, она может оказаться вполне комфортной – и этот вывод подтверждается практикой: если изготовить гипсовый отпечаток головы, лежать на нем будет довольно удобно (правда, только тому человеку, с которого отпечаток был снят).

45. Комариная сила

Проткнуть картон иглой гораздо легче, чем карандашом. Этот факт подсказывает нам, что прочность поверхности определяется не максимальной силой, которую выдерживает поверхность, а максимальным давлением – то есть силой, приходящейся на единицу площади. Усилие иглы распределяется по гораздо меньшей площади, чем усилие карандаша, из-за чего давление иглы многократно больше.

Хоботок комара очень тонкий, поэтому даже при слабом усилии, которое способен развить комар, создает большое давление. Кроме того, на таких масштабах кожа человека перестает быть однородной поверхностью: начинает сказываться то, что она состоит из отдельных клеток, соединенных друг с другом. Впрочем, объяснение с помощью давления – довольно сильное упрощение того, как комар в действительности проникает сквозь кожу. Этот процесс устроен сложно, интересно и несколько жутковато – поинтересуйтесь подробностями у биологов!

46. Одно хорошо, а два лучше

В отличие от легкового автомобиля или автобуса у грузовика вес распределяется между колесами весьма неравномерно: поскольку груз расположен сзади, на задний мост приходится обычно гораздо бóльшая нагрузка. Если сзади поставить такие же колеса и в том же количество, как впереди, на единицу площади контакта колеса и дороги сзади будет приходиться большая сила, то есть вырастет давление на поверхность земли. На грунтовой дороге это повысит вероятность того, что задние колеса провалятся и увязнут, да и на асфальте высокое давление не проходит без последствий: вы наверняка замечали, что на шоссе с интенсивным движением на асфальте со временем продавливается колея. Дополнительные колеса на заднем мосту снижают давление на дорогу, да и сами колеса работают при этом с меньшей нагрузкой.

Иногда можно встретить утверждение, что дополнительные колеса увеличивают площадь контакта с дорогой и за счет этого улучшают торможение. Верно ли это?

47. Шайбу! Шайбу!