Мордехай Тульчинский - Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

Рис. 78

Другой подход к решению этой задачи – переход в неинерциальную систему отсчета, связанную с ускоряющейся цистерной. В этой системе отсчета появляются силы инерции, которые действуют в сторону, противоположную ускорению цистерны, и ведут себя как «дополнительная гравитация», направленная назад по ходу движения. Возникает в точности такая же ситуация, которая наблюдалась бы в цистерне, поднимающейся равномерно по наклонной плоскости под углом β к горизонту (попробуйте самостоятельно построить диаграммы сил в пустой и наполненной цистерне для такого равномерного движения под наклоном).

105. Своевольный воздушный шарик

Если ускорение небольшое, чемодан останется лежать на месте, а мячик покатится по столу в направлении, противоположном направлению ускорения. В инерциальной системе отсчета, покоящейся относительно земли, чемодан и мячик стремятся сохранить постоянную скорость, а вагон ускоряется, как бы «уезжая из-под них». За счет силы трения он увлекает чемодан за собой, и тот тоже ускоряется, а вот сила трения качения очень мала, и ее недостаточно, чтобы мячик остался неподвижным относительно вагона. Если ускорение вагона велико, то и силы трения между чемоданом и полом может не хватить для ускорения чемодана – и тогда чемодан тоже начнет смещаться в направлении, противоположном ускорению.

Самое интересное будет происходить с воздушным шариком: он поведет себя вопреки тому, что подсказывает нам интуиция. Проще всего понять это, перейдя в неинерциальную систему отсчета, связанную с вагоном. В этой системе отсчета на все тела в вагоне (включая воздух) будет действовать сила инерции, ведущая себя как «дополнительная горизонтальная гравитация»: эта сила будет направлена горизонтально против ускорения вагона и для каждого из тел по величине окажется пропорциональна массе тела. На шарик, наполненный гелием, помимо настоящей гравитации и силы инерции будет действовать выталкивающая архимедова сила со стороны окружающей среды (воздуха). Как в задаче 104, сила Архимеда будет направлена против векторной суммы гравитационной силы и силы инерции, то есть не вертикально вверх, а под наклоном к горизонту в сторону ускорения (рис. 79).

Рис. 79

Однако в случае шарика с гелием выталкивающая сила по модулю превзойдет сумму силы тяжести и силы инерции и заставит шарик двигаться вверх и в сторону по направлению ускорения . Движение вверх закончится тем, что шарик упрется в потолок – и появится сила реакции опоры, направленная вниз , то есть не дающая шарику подниматься выше. А вот горизонтальная составляющая силы Архимеда останется не скомпенсированной и вынудит шарик ускоряться влево. Тут важно вспомнить, что мы уже находимся в неинерциальной (ускоряющейся) системе отсчета, связанной с вагоном, так что это будет дополнительное к основному ускорение: шарик будет ускоряться вперед относительно вагона !

Итак, шарик сместится в сторону, противоположную смещению мячика и чемодана.

106. Секреты барной ложки

Если просто наливать одну жидкость в емкость с другой, из-за сильной струи жидкости перемешаются, даже если они не смешиваемые (как масло и вода). Наливая жидкость по барной ложке, бармен добивается того, что жидкость направляется точно туда, куда он хочет ее направить, и течет более тонкой и медленной струей. Это происходит из-за того, что жидкость за счет взаимодействия молекул смачивает черенок ложки и как бы «придерживается» его – течет по нему. (Этот эффект можно пронаблюдать в домашних условиях: откройте кран и пустите несильную струйку, а затем поднесите к струйке расположенное вертикально лезвие ножа, черенок обычной ложки или зубной щетки. Когда вертикальный предмет коснется струи, струя потечет по нему, отклонившись от вертикали.) Винтовая нарезка на черенке барной ложки дополнительно замедляет струю.

107. Тряпка тряпке рознь

Синтетика хуже впитывает воду по сравнению с хлопковой тканью, потому что волокна синтетики хуже смачиваются водой. Винкелю лучше взять свою старую футболку, даже если она дорога ему как память.

108. Песок, глина и вода

В рыхлом песке по сравнению с плотной глиной образуется гораздо больше естественных капилляров. По ним вода поднимается на поверхность и улетучивается. Глина же долго удерживает воду в своей толще.

109. Фундаментальные тайны

И бетон, и кирпич – пористые материалы. Поры образуют капилляры, по которым влага охотно поднимается из почвы наверх – к стенам. Влажные стены хуже держат тепло и быстрее разрушаются. Слой рубероида перекрывает влаге доступ – изолирует стены от воды, поэтому его называют гидроизоляционным материалом.

Рубероид – давнее, «дедовское» средство. В качестве гидроизоляционного материала он дешев, но решает лишь часть проблем. К примеру, в самом фундаменте влага при этом остается и при перепадах температур начинает постепенно разрушать фундамент (вода при замерзании увеличивается в объеме – см. задачу 155). В бетоне к тому же есть стальная арматура, которая под воздействием воды ржавеет – и прочность фундамента снижается. В «большом» строительстве сегодня применяются более современные и сложные методы и материалы, которые позволяют защитить фундамент целиком и более эффективно.

110. Топорная работа

Сначала разберемся, что происходит во время колки дров, а именно – почему раскалывается чурбак и из-за чего топор может в нем застрять.

Если посмотреть на топор с торца, видно, что по форме он похож на клин. Продвигаясь сверху вниз, этот клин раздвигает половинки чурбака, вынуждая его расколоться. Половинки при этом слегка (незаметно для глаза) изгибаются – и возникают силы упругости, стремящиеся вернуть их в исходное положение, то есть свести вместе. Половинки чурбака прижимаются к топору – между деревом и щекой топора возникает трение, которое и зажимает топор, когда он останавливается. Сила трения действует на топор в чурбаке все время, но ее направление разное: когда топор входит в чурбак, сила трения тормозит топор, а когда топор остановился – мешает его извлечь (рис. 80).

Рис. 80