extracted_text:
Качественные задачи по теме «Механика»
Повернуть или остановиться?
Порой от знания физики может зависеть ваша жизнь. Представьте себе, что автомобиль, за
рулем которого вы сидите, едет прямо на кирпичную стену, которая находится в конце  Т
образного перекрестка. Что делать? Тормозить изо всех сил, не допуская заноса, стараясь
рулить  прямо?  Поворачивать  на  полной  скорости  или   выруливать   вбок, тормозя по  мере
возможности?
Рассмотрим задачу последовательно. Для начала, предположим, что вы успеете вовремя,
если будете тормозить, не сворачивая. Будет ли при этом поворот столь же безопасным?

Прежде   всего,   конечно,   следует   рассмотреть   идеальный   случай.   Затем   можно   учесть
возможность заносов, различие в сцеплении с дорогой передних и задних колес, «усталость»
тормозов.
А что если торможение на прямой не спасет вас? Стоит ли тогда стараться повернуть или,
может быть, смириться с трагической неизбежностью?
Другой вариант

 аналогичной ситуации: перед вами на дороге большой предмет. Что
лучше сделать: остановиться или попытаться его объехать? Конечно, все зависит от размеров
предмета.
Не давайте поспешных ответов. Пусть вы и опытный водитель, но интуиция порой может

подвести, а ведь дело касается вашей жизни.
Ответ:   Если   пренебречь   тем,   насколько   может   быть   опасен   для   пассажиров   удар
автомобиля тем или другим бортом, и если стену объехать нельзя, то нужно двигаться прямо
на   нее,   пытаясь   затормозить   как   можно   скорее.   Расчет   показывает,   что   при   идеальном
состоянии тормозов и дорожного покрытия избежать столкновения со стеной, двигаясь по
дуге окружности, можно только в том случае, если сила трения между колесами и дорогой
будет вдвое больше, чем при торможении, когда автомобиль движется прямо. Если   шофер   затормозит,   автомобиль   остановится,   когда   его   кинетическая   энергия
израсходуется на работу против силы трения. При повороте автомобиля та же сила трения
будет играть роль центростремительной силы, Заставляющей автомобиль двигаться по дуге
окружности.
В случае торможения
где  F  − сила трения,  х  − путь, который пройдет автомобиль после включения тормоза.
mv2/2 = Fx,
Отсюда
Очевидно, чтобы автомобиль не врезался в стену, должно быть
х = mv2/(2F).
или
В случае поворота
х = mv2/(2F) ≤ S,
F ≥ mv2/(2S).
F = mv2/R,
и, чтобы автомобиль не разбился, должно быть
или
R = mv2/F ≤ S
F ≥ mv2/S.
Для того чтобы избежать

столкновения со стенкой, при торможении нужна сила трения,
вдвое меньшая, чем при повороте. Очевидно, выгоднее тормозить, чем поворачивать!

Трение и автомобильные гонки
Во   время   автомобильных   гонок   результаты   оцениваются   в   первую   очередь   по   двум
главным   показателям:   максимальной   скорости   автомобиля   и   времени   прохождения   им
дистанции в четверть мили. Чтобы увеличить сцепление колес с дорогой, перед стартом под
задние   колеса   подливают   липкую   жидкость.   Однако  увеличение   трения,   как  оказывается,
влияет на время, затрачиваемое на прохождение дистанции, но мало влияет на максимальную
скорость. Почему?
Ответ: Вначале скорость зависит от сцепления колес автомобиля с дорожным покрытием.
Чем лучше сцепление, тем меньшее время затрачивается на прохождение начальной части
дистанции,   однако в  дальнейшем   сцепление   влияет  на скорость  незначительно  (изменение
скорости не превышает нескольких процентов). Максимальная скорость, которой автомобиль
достигает на финише, определяется мощностью двигателя. Автомобильные шины без протектора
Если бы вам представилась возможность выбирать между нормальными и широкими
шинами без протектора, то какие бы вы предпочли с точки зрения лучшего торможения?
Во время гонок серийных автомобилей на их задние колеса часто надевают широкие шины без
протектора. Почему?
Ответ:   Сила   трения   между   шиной   и   дорожным   покрытием   не   зависит   от   площади
контакта,   так   что   широкие   шины   без   протектора   ничем   не   лучше   узких.   Если   колеса
автомобиля   пробуксовывают,   когда   он  трогается   с   места   (так  во   время   гонок  бывает   на
старте),   то   широкие   шины   имеют   определенное   преимущество,   потому   что   у   них   нагрев
распределяется по большей площади и, следовательно, снижается вероятность того, что шина
расплавится (при плавлении шины сильно уменьшается коэффициент трения).
Блокирование колес
Если вам нужно быстро остановить машину, следует ли резко нажать на педаль тормоза и
заблокировать   колеса?   (Опытные   водители   рекомендуют   при   торможении   на   скользкой
дороге   не   выключать   сцепления,   т.   е.   не   отсоединять   колеса   от   двигателя.   Попробуйте
объяснить, почему такой способ торможения безопаснее.)
Ответ: Коэффициент трения скольжения меньше коэффициента трения покоя. Поэтому,
когда колеса крутятся, со стороны дороги на них действует большая сила трения, чем в том
случае, когда они скользят. На сухом ровном асфальте коэффициент трения покоя (колеса не

проскальзывают)   достигает  0,8,   тогда   как   при   скольжении   он   не   превышает  0,6.   Когда
начинается скольжение («блокирование» колес), асфальт и шины могут расплавиться, и тогда
автомобиль будет двигаться по тонкому слою жидкости. Чтобы затормозить, автомобиль с
«блокированными» колесами (при прочих равных условиях) должен пройти расстояние, на 20
%  большее, чем при вращающихся колесах. Поэтому автомобиль останавливается быстрее
всего,   если   к   тормозам   прикладывать   усилие,   чуть   меньшее   того,   при   котором   колеса
блокируются.
При скольжении колес возникает опасность бокового «заноса» автомобиля, так как при
этом движение вбок может быть вызвано даже очень малой силой. Ускорение и торможение автомобиля на повороте
Почему   не   следует   резко   тормозить   на   повороте?   Предположим,   вы,   уже   совершая
поворот, вдруг решили, что едете слишком быстро. Что произойдет, если вы резко нажмете на
педаль тормоза? Гонщики нажимают на педаль газа, выходя из поворота, но не на повороте.
Почему?
Ответ: При резком торможении на повороте машина наклоняется вперед; давление на
передние колеса увеличивается, а на задние − уменьшается. При этом на повороте зад машины
может   занести   в   сторону.   При   ускорении   автомобиля   давление   на   его   задние   колеса
возрастает, и их сцепление с дорогой улучшается.
Автомобиль трогается с места
Много   спорят   о   том,   как   следует   трогаться   с   места   на   скользкой   дороге.   Одни
утверждают, что это нужно делать на низкой передаче, другие говорят, что на высокой. Имеет
ли вообще значение, какая передача включена? Что требуется, чтобы автомобиль тронулся с
места?
Почему его начальная скорость должна быть малой?  Какое преимущество  имеет одна
передача перед другой? Попробуйте объяснить, как зависит момент силы, действующей на
колесо, от передачи, и установить, в каком случае этот момент должен быть больше, а в
каком − меньше.
Ответ:   Начальная   скорость   вращения   колес   должна   быть   мала,   и   момент   сил,
действующих на колеса со стороны трансмиссии и двигателя, должен быть меньше момента
сил   трения   покоя.   Иначе   колеса   будут   проворачиваться   −   буксовать.   Какую   передачу
выбрать, зависит от опыта водителя и плавности работы сцепления. Если водитель привык
«газовать», трогаясь с места, то момент сил можно уменьшить вдвое, начиная движение со
второй
В этом случае

передачи.
 нагрузка передается от двигателя через шестерни с меньшим передаточным

числом и сила, действующая на колеса, уменьшается.
Как объяснить шум, издаваемый колесами автомобилей?
Ответ: Шум, издаваемый колесами автомобилей, − одна из основных проблем больших
городов. Огромные средства тратятся ежегодно на борьбу с этим шумом, так как стоимость

одного   километра   звукопоглощающего   барьера,   устанавливаемого   вдоль   шоссе,   близка   к
одному   миллиону   долларов.   Есть   несколько   теорий   возникновения   этого   шума.
Одна   из   них   считает,   что   шум   возникает
внешней

части
  изза   колебаний   деформированных   участков
покрышки. Другая

  теория   связывает   появление   шума   с   отлипанием   резины   от   дороги.

 романтичная гипотеза объясняет шум тем, что воздух двигается по канавкам
Ну, а самая
автомобильных покрышек, как по трубам органа, и поэтому поет.
Какие шины используют в гонках Формула1?
Ответ: Каждый пилот гоночного болида хочет иметь хорошее

 сцепление с дорогой,
чтобы обеспечить быстрый старт. Но это значит, что шины его автомобиля должны хорошо
прилипать к дорожному покрытию. Но такая шина всегда будет оставлять на дороге след из
частичек,   прилипших   навсегда   к   дорожному   покрытию.   Другими   словами,   износ   шин   с
высоким  сцеплением тоже высок. Поэтому на гонках «Формулы 1» средний ресурс шины
всего около 200 км, в то время как у обычных шин он может составлять несколько десятков
тысяч километров.
Известно,   что   автомобильные   гонки   проходят   на   «лысой»   резине   или   на   шинах   с
несколькими очень неглубокими канавками.
Канавки в шинах гоночных машин  не нужны, так как они увеличивают
 сцепление  с
дорогой   только   тогда,   когда   она   мокрая.   А   при   мокрой   дороге   гонки   отменяются.

Для производства  шин  гоночных автомобилей  используется
 специальная  липкая  резина.
Поэтому сила трения этих шин на сухой дороге растет с увеличением площади контакта,

вступая, таким образом, в противоречие с классическим законом, справедливым для трения
твердых и неэластичных поверхностей. Чтобы обеспечить максимальную силу трения, шины
колес гоночных автомобилей делают очень широкими (до 0,38 м), что также позволяет лучше
рассеивать   тепло,
  выделяющееся   при   трении   о   дорожное   покрытие.
Чистая  резина

 прилипает  к  дороге  лучше,  чем грязная. Поэтому  перед  самым   стартом
покрышки с помощью специальных устройств и процедур нагревают до  80 °С, очищая ее
поверхность   и   обеспечивая   хорошее   прилипание   к   дорожному   покрытию.   Кстати,   шины
гоночных   автомобилей   иногда   надувают   чистым   азотом,   так   как   влага,   содержащаяся   в обычном воздухе, при нагревании шин испаряется и увеличивает  давление в колесах,  что
создает дополнительные трудности в управлении.
Почему все шины черные?
Ответ: Все изготовители шин используют один и тот же процесс − вулканизацию жидкой
резины,   при   котором   одной   из   добавок   служит   угольная   пудра.   В   результате   длинные
молекулы   жидкой   резины   смешиваются   между   собой,   что   превращает   ее   в   эластичный   и
прочный материал. Так как частички угля черные и их относительно много (около 25 % по
массе),   то   резина   становится   черной.   Чем   больше   добавлять   при   вулканизации   угольной
пудры,   состоящей  практически  из  одного  углерода,  тем  более  жесткой,  прочной   и  менее
прилипчивой будет резина.
Брошенный на льду
Допустим, ваши приятели  решили сыграть  с вами  злую шутку и бросили  вас посреди
большого замерзшего пруда. Лед настолько скользкий, что вы не в состоянии ни пройти, ни
даже   проползти   по   нему   к   берегу.
  Как   же   вам   поступить?
Теперь   предположим,   что   вас   положили   на   лед   на   спину.   Через   некоторое   время   вы
почувствуете, что спина промерзла и вам нужно перевернуться. Как это сделать на таком
скользком льду?
Шутка   могла   бы   оказаться   еще   злее.   Например,   вас   стоя   привязали   бы   к   столбу,
торчащему   гдето   посередине   льда.   Как   вам   повернуться   вокруг   столба,   если   ваши   руки

свободны? Столб слишком гладкий и скользкий, чтобы за него ухватиться, а лед еще более
скользкий,   и   ногами   в  него   не  упереться.   Что   нужно   сделать,   чтобы   повернуться   вокруг
столба лицом в другую сторону?
Ответ:   Если   вас   не   связали,   попытайтесь   бросить   ботинок   или   чтонибудь   другое   в
направлении, противоположном тому, в котором вы хотите передвинуться. Если трение о лед
полностью   отсутствует,   то   полный   импульс   системы   должен   оставаться   равным   нулю,   и
поэтому вы начнете скользить в нужную сторону.
Автомобиль, велосипед, поезд на повороте
Как вы поворачиваете на велосипеде, а точнее, как вы начинаете поворот? Мотоциклист
поворачивает,   наклоняя   мотоцикл,   а   руль   при   этом   стоит   прямо.   Иначе   обстоит   дело   с
велосипедом. С чем связано это различие?
Для того чтобы поезд на повороте не сошел с рельсов под действием центробежной силы,
полотно железной дороги делается наклонным и наружный рельс на повороте часто бывает
приподнят.   Влияет   ли   этот   наклон   на   поворот   поезда   так   же,   как   наклон   при   повороте мотоцикла?   Попробуйте   сделать   хотя   бы   грубый   расчет,   чтобы   выяснить   это.
И наконец, что вы можете сказать о повороте гоночных автомобилей?

Ответ: Момент импульса колеса мотоцикла много больше, чем велосипедных колес, и
играет существенную роль. Для того чтобы повернуть мотоцикл, вы наклоняете его. Момент
силы   реакции   земли,   действующей   на   переднее   колесо   мотоцикла,   заставляет   колесо
прецессировать, благодаря чему мотоцикл поворачивает. Моменты импульса велосипедных
колес   много   меньше,   поэтому   здесь   полагаться   на   прецессию   нельзя.   Для   того   чтобы
осуществить поворот на велосипеде, нужно наклонить его и одновременно повернуть руль.
Кстати, в какую сторону вы сначала поворачиваете руль − влево или вправо, − если хотите
повернуть, скажем, влево?
Конструкция велосипеда
Почему современный велосипед делается именно таким? В прошлом существовало много
различных конструкций велосипедов (рис.).
Одни   имели   колеса   разного   диаметра,   у   других   педали   соединялись   прямо   с   осью
переднего колеса.
Отличается   ли   современный   велосипед   большей   устойчивостью   и   большим
коэффициентом   полезного   действия   (КПД)   по   сравнению   со   своими   предшественниками?
Почему   вилка   переднего   колеса у   современного   велосипеда   изогнута?   Сохранит   ли
велосипед устойчивость, если этой вилке придать другие формы, скажем, такие, как показано

на рис.? Ответ: Устойчив такой велосипед, у которого точка пересечения оси вращения руля с
горизонталью,   проходящей   через   центр   колеса,   при   повороте   его   опускается   в   сторону
наклона велосипеда.  Из трех конструкций, изображенных на рис., последняя неустойчива,
тогда как вторая − чрезмерно устойчива, и в этом случае велосипед плохо «слушается» на
  оказывают   существенного   влияния   на
поворотах.   Гироскопические   эффекты   не

устойчивость велосипеда, хотя вращение колес в течение некоторого времени обеспечивает
устойчивость велосипеда, если его толкнуть без седока.
Шины большого диаметра
Будет   ли   автомобиль   двигаться   быстрее,   если   поставить   на   колеса   шины   большого
диаметра?
Ответ: Существует некое максимальное угловое ускорение, которое можно сообщить
автомобильному  колесу.  Чем  больше диаметр  шины, тем большее  расстояние  автомобиль
проходит при каждом обороте колеса и тем больше его линейное ускорение. Однако при

ограниченной мощности двигателя установка шин большего диаметра приведет к уменьшению
углового ускорения, в результате линейное ускорение останется прежним.
Автомобиль на льду
Что нужно делать, чтобы выправить автомобиль, если его «заносит» в гололед: пытаться
вырулить прямо или поворачивать руль в сторону заноса? Почему?
Ответ:   Выбор   наилучшей   тактики   зависит   от   ряда   факторов,   в   первую очередь   от
соотношения скорости заноса и линейной скорости центра масс автомобиля, а также от того,
какие колеса сохранили сцепление с дорогой. Необходимо также четко уяснить, что важнее:

воспрепятствовать заносу или приостановить движение вперед. Допустим, к примеру, что
заднюю часть автомобиля заносит вправо, что движением вдоль дороги можно пренебречь и
что передние колеса сохранили сцепление с дорогой. Тогда, чтобы помешать заносу, следует
поворачивать передние колеса в направлении вращения (то есть вправо) и потихоньку давать
газ. По мере уменьшения заноса нужно выводить передние колеса влево, восстанавливая тем
самым правильную ориентацию автомобиля на дорожном полотне.
Балансировка колес
Будет   ли   сбалансировано   вращающееся   колесо   автомобиля,   если   оно   балансировалось
статически при помощи обычного пузырькового уровня? Можно ли добиться одновременно
статического и динамического баланса колеса, прикрепляя к его ободу один балансировочный
груз? А два груза? Ответ:   Статически   сбалансированное   с   помощью   одного   груза   колесо

  может   при
вращении оказаться несбалансированным динамически.
С другой стороны, колесо можно сбалансировать динамически и оно не будет «бить»;
однако   если   это   сделать   с   помощью   одного   груза,   то   статическая   балансировка   может
оказаться   нарушенной.   При   обычной   балансировке   колес   удовлетворяются   какимлибо
компромиссным   вариантом.   Если   же   использовать   два   груза,   то   можно   добиться   как
статического, так и динамического баланса.
При   статической   балансировке   колеса   его   центр   масс   лежит   на   оси   колеса,   однако
распределение   массы   колеса   может   оказаться   несимметричным   относительно   плоскости,
перпендикулярной оси. При вращении такое колесо будет вести себя как диск, плоскость
которого не перпендикулярна оси вращения. Такое колесо не сбалансировано динамически.
Дифференциал автомобиля
Когда автомобиль совершает поворот, колеса, движущиеся  по наружной дуге, должны
вращаться быстрее, чем те, что движутся по внутренней дуге. Как это может происходить,
если «наружные» и «внутренние» колеса (попарно − передние и задние) установлены на одной
оси?
Ответ. Задние колеса соединены между собой не жестко, а через

 дифференциал. На
повороте   дифференциал,   который   состоит   из   четырех   конических   шестерен,   позволяет
«внешнему» колесу вращаться быстрее «внутреннего».
Вспучивание дороги
На дороге, которая первоначально была ровной, возникает ухаб, а вслед  за ним через
некоторое время еще один. Кажется, он сам собой вырастает поперек дороги. И дорога − будь
то грунтовая, асфальтированная или даже бетонная − становится  похожей на стиральную
доску,
  особенно   после   дождя,
  когда   в   складках   собирается   вода. Подобное явление наблюдается на

 трамвайных и железнодорожных путях. Когда по такому
деформированному участку проходит поезд, возникает страшный грохот. Недаром подобные
участки называют «ревущими».
Аналогичные «стиральные доски» встречаются лыжникам на лыжне. Почему возникает
такая волнообразная («гофрированная») поверхность и чем определяется ее период? Можете
ли  вы оценить этот период, моделируя  описанный эффект в ящике с песком  с помощью
небольшого колесика?
Ответ: Представьте, что на дороге имеется ухаб, при проезде через который у машин
начинает колебаться «передок». В тех местах, где колебание направлено вниз, шины могут
вдавливаться   в   дорогу.   Если   в   одном   и   том   же   месте   это   происходит   со   многими
автомобилями, то может образоваться еще один ухаб и т. д.
Трение.
Как объяснить сущность трения моей бабушке, не прибегая к какимто сложным научным
построениям,   а   на   самой   простой   модели.   Обусловлено   ли   трение   неровностями
сцепляющихся   поверхностей   или,   возможно,   действием   электростатических   сил?   Может
быть, местное «прилипание» вызывают молекулярные силы, а может, твердая поверхность
«проникает» в более мягкую и они сцепляются? Вопрос этот очень стар, незамысловат и
наверняка должен иметь простой ответ.
Ответ:   Прежде   трение   объясняли   неровностями   соприкасающихся

  поверхностей.
Современная   теория   трения   отвергает   эти   представления   и   рассматривает   адгезию
(«слипание»)   поверхностей   в   результате   межмолекулярных   взаимодействий   как   основную
причину трения. Несмотря на это, во многих учебниках попрежнему трение описывается как явление,   обусловленное   только   микроскопическими   «холмиками»   и   «впадинками»   на
соприкасающихся поверхностях.
Зависит   ли   трение   от   площади   контакта   соприкасающихся поверхностей?

Cила   трения   скольжения   прямо   пропорциональна   весу   трущегося
  предмета.
Парадоксальность  закона, что сила трения не зависит от площади контакта тел, стала на

долгие
И   сейчас   не   на   все   вопросы   получены   ответы,   хотя   ряд   соображений
  между

предметом
оживленных
годы
споров
учеными.
  представляется

довольно убедительным.
Дело в том, что касание твердых тел

 происходит не по всей поверхности, а в отдельных
пятнах, или «очагах», контакта. Суммарная (фактическая) площадь таких очагов Sф обычно
очень мала и составляет весьма малую часть от номинальной площади  Sн. Однако если  Sн
вceгдa задана, то Sф как показывает опыт, растет с увеличением веса груза Р. Стоит теперь
предположить,   что   этот   рост   прямо   пропорционален  Р,   как   парадокс   закона   Амонтона
разрешается − сила трения прямо пропорциональна фактической площади контакта, которая,
в свою очередь, линейно растет с ростом груза. Ставя кирпич на различные грани, мы во всех
случаях   сохраняем   постоянной  Sф  которая   зависит   только   от   веса   кирпича  Р.   Отсюда   и
постоянство трения.
Увы!   Легко   обнаруживается,   что
   Sф  растет   пропорционально  P  далеко   не   всегда.
Типичный пример стальной шарик, прижимаемый к жесткой плите. Площадь кругового пятна
контакта увеличивается здесь, как показывают теория и эксперимент, заметно медленнее, чем
прижимающая сила, а закон Амонтона попрежнему соблюдается! Разумеется, если шарик не
катится,
плоскости.
Только   в   нашем   веке   стало   ясно,   что   тупик,   В   который   Зашли   ученые,   объясняется
скользит

по
а

слишком упрощенным подходом к явлению трения. Накопилось много фактов в пользу того,
что  трение   −  результат   тонких   микроскопических  процессов,   прямо  связанных   с  атомно
молекулярным строением вещества.
В  1929 г., английский физик Д. Томлинсон выказал смелую гипотезу о том, что атомы,
расположенные   на   поверхности   твердого   тела   и   первыми   воспринимающие   нагрузку   при
взаимодействии с такими же атомами дрyгого тела, работают по принципу «да − нет»: каждый
из   них или  держит  гpуз  q, подобно древнегреческой  кариатиде,  или   не работает  вообще.
Характерная   величина   q,   названная   постоянной   Томлинсона,   определяется   особенностями
строения кристаллической решетки материала. С ростом нагрузки автоматически вступают в
строй новые «кариатиды», число которых оказывается cтpoгo пропорциональным нaгpузке. Так исчезает старое представление о сплошном и огpомном, по сравнению с атомом, очaге
контакта с максимальным давлением в центре. Вместо него возникает модель из множества
сравнимых   с   атомом   «пятен»   контакта,   каждое   из   которых   воспринимает   одинаковую
внешнюю силу.
Из гипотезы Томлинсона сразу следует закон Амонтона. В итогe, парадокс этого закона
разрешается   переосмыслением   на   основе   атомномолекулярных   представлений   такого
простогo и очевидноrо, казалось бы, понятия, как площадь фактического касания твердых
тел.
Сейчас   уже   не   существует   сомнений,   что   в   основе   трения   лежат

  сложные
микроскопические   явления.   Вполне   вероятно,   что   закон   Амонтона   служит   как   раз
естественным пpoявлением этой тонкой природы трения.
Следы на песке.
Если вам приходилось, гулять по пляжу во время отлива, то, вероятно, вы заметили, что,
как только нога ступает на мокрый твердый песок, он немедленно подсыхает и белеет вокруг
вашего следа.  Обычно это объясняют  тем, что под тяжестью тела вода «выжимается»  из
песка. Однако это не так, потому что песок не ведет себя подобно мочалке. Почему же белеет
песок?   Будет   ли   песок   оставаться   белым   все   время,   пока   вы   стоите   на   месте?
Мяч, наполненный песком и водой. Наполните камеру мяча песком и водой так, чтобы вода
полностью   покрывала   песок,   но   не   заполняла   всю   камеру.   Теперь   завяжите   камеру   и
попробуйте сжать ее. Вначале это получается легко, но, чем дальше вы сжимаете ее, тем
сильнее она сопротивляется сжатию, с какой бы силой вы на нее ни давили. Чем это вызвано?
Покупка мешка кукурузы. В те времена, когда кукурузное зерно продавалось не на вес, а
на   объем,   некоторые   торговцы   всячески   старались   сделать   так,   чтобы   зерна   занимали
возможно   больший   объем.   Мешки   кукурузы   у   таких   хитрецов   казались   полными,   хотя
содержали меньше кукурузы, чем мешки такого же объема у более честных торговцев. Как вы
думаете, следовало ли покупателю, столкнувшись с таким обманом, попытаться нажимать на
мешок,   чтобы   уплотнить   в  нем   зерна?   Оказывается,   именно   нажимать   на   мешок  в   таком
случае и не следует. Почему?
Ответ: Все эти три явления в действительности одинаковы. Я рассмотрю первое из них, а
остальные два предлагаю вам объяснить самостоятельно. Побеление песка на пляже впервые
объяснил Рейнольде  в 1885 г. Он показал, что объем песка увеличивается,  когда на него
наступают. До этого песчинки были «упакованы» самым плотным образом. Под действием
деформации   сдвига,   которая   возникает   под   подошвой   ботинка,   объем,   занимаемый песчинками,   может  лишь  увеличиться.  В  то время  как  уровень  песка  поднимается  резко,
уровень воды может подняться лишь в результате капиллярных явлений, а на это требуется
время. Поэтому на дне следа ноги песок некоторое время оказывается выше уровня воды − он
сухой и белый.
Заполнение следа на песке водой.
Многие из вас, повидимому, замечали, что в тот момент, когда вы ступаете на мокрый
песок, он светлеет. Это связано с тем, что песок становится суше. Но как только вы убираете
ногу, след оставленный ногой, немедленно заполняется водой. Объясните это явление.
Ответ: Чтобы объяснить, что происходит с песком на берегу реки, начнем с шариков.
Одинаковые шарики можно уложить на плоскости так, чтобы каждый из них касался шести
других шаров. В лунки между шарами первого стоя можно положить шары второго слоя.
Каждый из них будет касаться трех шаров нижнего слоя и шести соседей своего слоя и т. д.
Полученное таким образом расположение шаров называется плотной упаковкой шаров. Если
нарушить плотную упаковку, выведя шары одного из слоев из лунок между шарами нижнего
слоя, промежутки между шарами увеличатся. Возрастет и объем всей системы. Это означает,
что если на систему из плотно упакованных шаров действуют силы, приводящие к нарушению
плотной упаковки, объем  системы  увеличивается  за счет увеличения промежутков между
шарами.
Аналогично ведет себя и любая зернистая среда. Возьмите, например, пшено (или кофе),
наполните им стакан, слегка встряхивая стакан, чтобы зерна располагались, образуя наиболее
плотную из возможных упаковку. Затем надавите на пшено. Давление приведет к увеличению
объема,   занимаемого   зернами,   то   есть   к   нарушению   плотной   упаковки.   Часть   зерен
высыплется. Если теперь слегка постучать по стакану с тем, чтобы зерна вновь «упаковались»
доверху.
наиболее
заполненным
окажется
стакан
плотно,

не

Теперь вернемся к песку на берегу. Он тоже плотно упакован. При давлении на песок плотная упаковка разрушается, и объем песка увеличивается за счет увеличения пространства между
песчинками.   Вода   из   верхних   слоев   песка   уходит   вглубь,   заполняя   эти   увеличившиеся
промежутки.   Песок   как   бы   «высыхает».   Когда   ногу   убирают,   плотная   упаковка
восстанавливается, а вытесненная из уменьшившихся вновь промежутков вода заполняет след,
оставленный ногой.
Геофизическое «оружие».
Китайская   Народная   Республика,   возможно,   обладает   новым   устрашающим   видом
«оружия» − геофизическим. Некоторые специалисты считают, что если все население Китая
(свыше 1 млрд. человек) одновременно спрыгнет с двухметровых платформ, то в земле начнет
распространяться ударная волна. Прыгая снова всякий раз, как эта волна будет проходить
через Китай, китайцы могут усилить ее до такой степени, что она может разрушить отдельные
районы   Соединенных   Штатов,   особенно   в   Калифорнии,   нередко   и   сейчас   страдающие   от
землетрясений. По какой траектории будет распространяться в земле такая волна? Как часто
придется прыгать китайцам, чтобы усиливать эту волну, и насколько будет увеличиваться ее
энергия при каждом таком прыжке? Сможет ли население другой страны какимто образом
защититься   от   воздействия   геофизического   «оружия»,   например   с   помощью   аналогичных
прыжков (рис.). Будет ли зависеть амплитуда такой волны от того, как именно станут прыгать
китайцы?   Коекто   утверждает,   что   прыгать   следует,   не   сгибая   ног,   так   как   прыжок   на
полусогнутых   ногах   вызовет   гораздо   меньшую   волну.   Что   вы   можете   сказать   по   этому
поводу?
Ответ:   Первоначальные   (и   едва   ли   серьезные)   вычисления   Д.   Стоуна

  показали,   что
такой прыжок может привести к землетрясению мощностью  4,5 балла  по шкале Рихтера.
Часть   Китая   при   этом   неминуемо   будет   разрушена.   Но   если   эту   сейсмическую   волну
периодически «подкачивать», то она может произвести разрушения и в других местах. Для
того чтобы попасть в резонанс, прыгать придется каждые  53 − 54 мин  − именно за такое
время сейсмическая волна огибает Землю. «Обороняющейся» стране придется организовать
свои   прыжки,   волны   от   которых   гасили   бы   волны,   создаваемые   прыжками   китайцев.   Но,
поскольку жителей в этой стране меньше, им придется прыгать с соответственно большей
высоты. Как утверждает Стоун, чтобы сообщить сейсмическим волнам наибольшую энергию,
нужно прыгать, не сгибая ног в коленях. Мне это утверждение не вполне ясно, поскольку в
любом   случае   энергия,   сообщаемая   волнам,   определяется   потенциальной   энергией   тела
человека в поле силы тяжести. Стоит ли ехать на желтый свет?
Каждый водитель порой оказывается перед необходимостью быстро решить, остановиться
или   проехать   на   желтый   свет   светофора.   Это   подсказывает   ему   интуиция,   выработанная
методом проб и ошибок; однако точный расчет позволяет проанализировать такие ситуации,
где   интуиция   бессильна.   При   каких   значениях   начальной   скорости   и   расстояния   до
перекрестка следует остановиться (или рискнуть проехать на красный свет), если заранее
известны время, в течение которого горит желтый свет, и размеры перекрестка? (Согласно
«Правилам   дорожного   движения»   ускорение   автомобиля   не   должно   превышать  5,8   м/с2)
Определите интервал скоростей и расстояний, при которых вы успеваете проехать вовремя.
Обратите   внимание,   что   при   некоторых   значениях   этих   параметров   вы   можете   решать,
проезжать или  нет. Но, возможно, что скорость или расстояние будут таковы, что вы  не
успеете ни проехать, ни остановиться вовремя ? и тогда вас ждут большие неприятности.
Ответ: Подъезжая к перекрестку, на котором только что загорелся желтый свет, водитель
может затормозить с максимальным отрицательным ускорением, проскочить перекресток с
максимальным положительным ускорением или продолжать ехать с прежней скоростью. Для
примера рассмотрим следующий набор параметров: автомобиль движется со скоростью  54
км/ч (15 м/с), ширина перекрестка  10 м, желтый свет горит 2 с, а максимальное ускорение
равно  −3м/с2  при торможении и  +3 м/с2  при разгоне. Определим, на каком расстоянии от
перекрестка нужно находиться, чтобы выбрать какойлибо из трех вариантов прохождения
перекрестка   (при   условии,   что   двигатель   немедленно   реагирует   на   нажатие   педали
акселератора). Для того чтобы успеть вовремя проскочить перекресток в тот момент, когда
загорается желтый сигнал, вы должны находиться от него не дальше, чем в  26 м. Чтобы
вовремя остановиться, нужно быть от перекрестка не ближе чем в 37,5 м. При расстоянии в
пределах 26 − 37,5 м можно выбрать любую тактику.
Встречные поезда. Скоростные   поезда   при   встрече   должны   замедлить   ход,   иначе   стекла   в   вагонах
разобьются.   Почему?   В   какую   сторону   при   этом   выпадают   стекла:   внутрь   вагонов   или
наружу? Может ли случиться подобное, если поезда движутся в одном направлении? Будет
ли вас притягивать к поезду или отталкивать от него, если вы окажетесь слишком близко от
быстро идущего поезда?
Ответ: Впереди быстро идущего поезда создается фронт высокого давления, а за ним −
область низкого давления. Когда встречные поезда разъезжаются, стекла поезда могут быть
выдавлены наружу, поскольку между поездами возникает область пониженного давления.

file_name: Механика.doc

intro: Материал содержит подборку качественных задач по физике к разделу "Механика". Данный материал может быть использован преподавателями физики общеобразовательных школ и системы СПО с целью повышения мотивации к урокам физики, активизации познавательной деятельности на уроках и развития понимания практико-ориентированности данной дисциплины.

физика

group: Дисциплины

title: Качественные задачи по физике. Механика.


extracted_text:
Качественные задачи по теме «Механические колебания и волны»
Скрипящий мел.
Почему так ужасно скрипит мел, если мы неправильно держим его, когда пишем на доске?
Как   влияет   на   скрип   положение   мела   относительно   доски   и   чем   определяется   частота
издаваемого им звука? Почему скрипят двери и почему визжат шины автомобиля, когда он
резко трогается с места?
 Ответ:
 Скрип   и   визг   в   рассмотренных   случаях   обусловлены   «зацеплением   и
соскальзыванием». Так, мел, когда его неправильно держат, вначале зацепляется за доску, но
когда пишущий достаточно сильно нажимает на мел, он внезапно соскакивает и начинает
вибрировать, периодически «зацепляясь» за доску и вновь соскальзывая. Вследствие этого и
возникает скрип.
«Поющий бокал».
Почему винный бокал «поет», если провести мокрым пальцем вдоль его края? Что именно
вызывает звучание бокала и почему палец при этом должен быть влажным и не масляным?
Что определяет частоту звука? Каковы колебания кромки бокала: поперечные или
продольные?
 Ответ:   Палец   возбуждает   продольные   колебания,   распространяющиеся   вдоль   кромки.
При   этом  возникают   также  поперечные   колебания,  перпендикулярные   кромке.  Последние
вызывают движение жидкости.
Журчащий ручей.
Вам, верно, случалось когданибудь солнечным днем лежать на травке, слушая журчание
ручейка?   Почему   журчат   ручейки?   Почему   ревут   водопады   и   стремнины?   Чем   вызвано
приятное шипение открываемой бутылки лимонада? Всмотритесь в прозрачный лимонад и
попытайтесь связать этот звук с образованием, движением и разрывом газовых пузырьков.
Ответ: Отчасти журчание ручейка обусловлено пузырьками,

 образующимися в быстро
текущей   воде.   Возникновение   пузырьков   сопровождается   слабыми   звуками,   тогда   как
колебания объема пузырьков и их «схлопывание» производят более громкие звуки.
Звуки кипящей воды.
Когда я подогреваю воду для кофе, то по звуку определяю момент ее закипания. Вначале
раздается шипение, которое постепенно нарастает, а затем уступает место более резкому
звуку. Перед самым же кипением этот звук становится мягче. Как объяснить происхождение
этих звуков, особенно смягчение звука перед тем, как вода закипает? Ответ:  Первый   звук   появляется,   когда   донышко   кастрюли   нагрелось   достаточно   для
того,   чтобы   образовывались   пузырьки:   образование   каждого   пузырька   сопровождается
щелчком,   а   все   вместе   они   создают   шипение.   При   дальнейшем   нагревании   пузырьки
отделяются от дна, поднимаются в более холодный слой воды и там лопаются; при этом
возникает еще более громкий звук. Его мы слышим до тех пор, пока вода не согревается
настолько,   что  пузырьки   начинают  достигать   поверхности  и   разрываться  там.  Тогда  вода
кипит   «белым   ключом»,   а  пузырьки,   лопающиеся   на  поверхности,   создают   более   мягкий,
«плещущий» звук.
Когда мы идем по снегу...
Иногда снег скрипит под ногами, но это бывает лишь в те дни, когда температура воздуха
существенно   ниже   нуля.   Что   создает   звук   и   почему   его   возникновение   зависит   от
температуры? При какой примерно температуре снег начинает скрипеть?
Ответ: Если земля очень холодная (ее температура ниже −23 °С), то лед уже не тает под
ногами, а трескается.
Поглощение звука.
Тишина после снегопада. Почему после снегопада так тихо? Конечно, машин и людей на
улице меньше, чем обычно, но только этим нельзя объяснить тишину, вдруг опустившуюся на
город. Что происходит с энергией уличного шума? Почему это случается, когда снег только
что   выпал?   Подобное   ослабление   звука   наблюдают,   например,   участники   антарктических
экспедиций, когда прорывают туннели в снегу: приходится кричать, чтобы быть услышанным
на расстоянии пяти метров. Куда исчезает энергия звука?
Ответ:  Между   пушинками   свежевыпавшего   снега   существуют

  маленькие   полости,
благодаря которым такой снег поглощает звук так же, как звукопоглощающие покрытия в
современных  служебных  помещениях. По мере уплотнения снега поглощение звука в нем
ослабевает.
По наблюдениям Д. Тиндаля, свежевыпавший снег не уменьшает радиуса слышимости: по
видимому, он поглощает в основном высокие частоты, делая городские звуки более глухими.
Щелканье суставов.
Почему «трещат» пальцы? Почему нужно немного подождать, прежде чем сустав
сможет снова щелкнуть?
Ответ: Треск суставов обусловлен разрывом крохотных

 газовых пузырьков в жидкости,
смазывающей суставы пальцев, который происходит, когда палец растягивается и давление в жидкости уменьшается. Требуется несколько минут, прежде чем жидкость снова поглотит газ
и сустав опять щелкнет.
Распространение звука.
Тембр голоса и гелий.
Почему   голос   становится   высоким,   если   человек   вдохнет   гелий?   Будьте   предельно
осторожны, когда вдыхаете гелий. В этом случае легко задохнуться, так как вдыхая гелий,
человек   не   испытывает   никаких   неприятных   ощущений,   поскольку   при   этом   в   легких   не
накапливается   углекислый   газ.   Никогда   не   вдыхайте   ни   водород,   ни   чистый   кислород!
Водород взрывоопасен, а кислород поддерживает горение. При вдыхании этих газов даже
искра разряда (который так часто возникает в одежде) может оказаться смертельной.
Ответ: Резонансные частоты полости рта (как и всякой

 другой полости, заполненной
газом) пропорциональны скорости звука в заполняющем ее газе. Скорость звука в гелии выше,
чем в воздухе, поэтому голос становится более высоким.
Микрофонный эффект.
В эпоху рокмузыки для создания умопомрачительных эффектов широко использовалась
обратная связь. Гитарист поворачивался к громкоговорителю, звук которого таким образом
воздействовал на звукосниматель электрогитары и вновь усиливался. Аналогичный эффект
возникает, когда диктор включает в кабине приемник, настроенный на волну радиостанции,
которая ведет данную передачу. Что вызывает «звон» в этих случаях?
Ответ:   Звук   от   громкоговорителя   воспринимается

  звукоснимателем   электрогитары,
усиливается и снова поступает в громкоговоритель. Частота возникающего при этом «звона»
обратно пропорциональна интервалу времени между моментами возбуждения звукоснимателя
струной и возникновения звука от громкоговорителя.
Дифракция.
Когда я закрываю дверь своего кабинета, которая выходит в шумный коридор, в кабинете
становится тихо. Если же дверь открыть настежь, то шум мешает работать. А что если дверь
приоткрыть чутьчуть? Должно быть, это почти то же самое, что и закрыть ее? Однако в этом
случае шум ничуть не меньше, чем при широко открытой двери. Почему же узкая щель так
сильно усиливает шум в моем кабинете?
Ответ: Звуковая волна дифрагирует на щели. Хотя дверь лишь слегка приоткрыта, звук,
проникая через щель, распространяется по всей комнате.
Резонанс.
Когда вы поете в ванной комнате почему ваш голос звучит громче и приятней? Ответ: Когда вы поете на открытом воздухе, то слышите
звуки собственного голоса

лишь в тот момент, когда их издаете. В ванной комнате каждый звук многократно отражается
от   близко   расположенных   стен,   поэтому   он   слышен   дольше;   в   результате   ваш   голос
приобретает   звонкость   (обусловленную   достаточно   продолжительным   звучанием
высокочастотных   составляющих)   и   сочность   (благодаря   продолжительному   звучанию
низкочастотных составляющих).
«Поющие» провода.
Почему телеграфные провода гудят на ветру? Почему пела на ветру мифическая эолова
арфа? В частности, должны ли сами провода или струны арфы колебаться, чтобы создать
звук?   И   если   они   движутся,   то   в   какой   плоскости   −   той,   в   которой   дует   ветер,   или
перпендикулярно ей? Чем определяется частота слышимого звука? Предположим, вы хотите
имитировать свист ветра в проводах, размахивая вилкой с длинными, тонкими зубьями. Как
нужно размахивать ею: в плоскости зубьев или перпендикулярно ей? Попробуйте так и так.
Отчего деревья шумят зимой? Почему шумит лес? Все ли деревья шумят одинаково?
Ответ: При обтекании ветром провода или ветки дерева

 воздушный поток становится
неустойчивым,   и   тогда   с   препятствия   могут   срываться   вихри.   С   телеграфного   провода,
например, вихри срываются попеременно то с верхней, то с нижней его части. Эти вихри и
создают   колебания   давления   воздуха,   которые   мы   воспринимаем   как   звуки.   Если   ветер
достаточно   силен,   то   колебания   давления   с   двух   сторон   провода   могут   заставить   его
вибрировать целиком; впрочем, колебания провода не обязательны для возникновения звука.
Так как локальные изменения давления обусловлены вихрями на верхней и нижней частях
провода, то сам он вынужден совершать колебания перпендикулярно воздушному потоку.
Размеры «пищалок» и низкочастотных динамиков.
Почему в большинстве высококачественных систем звуковоспроизведения низкочастотные
динамики по своим размерам много больше пищалок (высокочастотных динамиков)?
Ответ:   Различие   размеров   динамиков   объясняется   двумя

основными   причинами.   Во
первых,   большой   диффузор   не   «успевает»   колебаться   с   высокой   частотой,   и   на   его
поверхности появляются изгибные волны. Поэтому в области высоких частот используется
«легкий» диффузор сравнительно малых размеров. Вовторых, динамик должен излучать звук
так, чтобы он заполнял все помещение. Угловая ширина дифракционной картины зависит от
соотношения между размерами диффузора и длиной звуковой волны. Волны малой длины
(высокие   частоты)   на   большом   диффузоре   будут   излучаться   в   малом   угле,   то   есть направленно. Поэтому для того, чтобы высокие частоты хорошо заполняли помещение, они
должны исходить из маленького динамика.
Звуки.
Одни   вечеринки   проходят   тихо,   другие   создают   много   шума.  Можете   ли   вы   грубо
прикинуть критическое число гостей, при превышении которого вечеринка становится
шумной? Критическим можно считать такой уровень шума, когда голос вашего собеседника
более неразличим на фоне шума. Положим, хозяйка призвала гостей к порядку, на некоторое
время воцарилась  тишина, а затем разговоры  вновь возобновились.  Через какое примерно
время шум в комнате достигнет прежнего уровня?
Ответ:   Предположим,   вы   разговариваете   с   кемнибудь   в комнате.   Вы   одновременно
слышите и непосредственную речь вашего собеседника, и ее звуки, отраженные от стен и

различных предметов. Если в комнате, кроме того, ведутся и другие разговоры, то возникает
общий рассеянный шум, который ваш собеседник, чтобы вы слышали его, должен преодолеть.
Уровень этого шума зависит от объема помещения, звукопоглощающей способности стен и
находящихся в комнате предметов, а также от числа говорящих. Когда последнее достигает
некоторого критического значения, голос вашего собеседника начинает тонуть в общем шуме.
При дальнейшем увеличении числа говорящих, ему придется повысить голос, но, тоже самое
сделают и другие, так что шум усилится.

file_name: Механические колебания и волны.doc

intro: Материал содержит подборку качественных задач по физике к разделу "Механические колебания и волны". Данный материал может быть использован преподавателями физики общеобразовательных школ и системы СПО с целью повышения мотивации к урокам физики, активизации познавательной деятельности на уроках и развития понимания практико-ориентированности данной дисциплины.

title: Качественные задачи. Механические колебания и волны


extracted_text:
Качественные задачи
по теме «Молекулярная физика. Тепловые явления»
Почему самолет в небе оставляет белый след?
Ответ:   Ответ   очевиден   −   по   той   же   причине,   по   которой   при   дыхании на   морозе
появляется туман или иней. В турбинах самолета сгорает углеводородное топливо, а одним из

продуктов   горения   является   вода,   точнее   −   ее   пар,   нагретый   до   высокой   температуры.
Горячие водяные пары, вылетая из сопла турбины, сразу начинают конденсироваться, образуя
нитеобразное облако, состоящее из мельчайших капелек воды или кристалликов льда, так как
температура на такой высоте ниже  −40 °С. Иногда воздух на высоте бывает перенасыщен
влагой, которая не может конденсироваться только изза отсутствия так называемых ядер
конденсации − мельчайших частиц, например пыли. В таких случаях пролетающий самолет,
оставляя   за   собой   частицы   сажи   −   продукт   неполного   сгорания   топлива,   вызывает
конденсацию перенасыщенных паров атмосферы. Поэтому по интенсивности белого следа от
летящего самолета можно судить о влажности воздуха в верхних слоях тропосферы, а значит,
и о предстоящей погоде. Быстро исчезающий или едва заметный след говорит о том, что
воздух на высоте сухой, а погода будет безоблачной. А если белый след тянется через все
небо, то следует ждать ухудшения погоды.
На   фотографиях,   сделанных   со   спутников,   Земля   во   многих   местах   накрыта   плотной
белой сеткой следов от пролетевших самолeтов (фото с сайта fiz.1september.ru).
Было показано, что в некоторых случаях следы от летящего самолета превращаются в
облака площадью от  4000  до  40000  квадратных километров, оказывая влияние на климат.
Поэтому, например, прекращение на три дня полетов над территорией США после трагедии
11  сентября 2001  года резко  увеличило   прозрачность  атмосферы,  и  в  результате  разница
между средней дневной и ночной температурой выросла на 1 °С. Таким образом, белые следы
от   самолетов   служат   одним   из   факторов   глобального   «затемнения»   планеты,
противодействующего ее глобальному потеплению. Ответ: Влага из теплого воздуха конденсируется на холодной  поверхности. Из
Как избежать запотевания стекол?

таблицы
зависимости давления насыщенных паров от температуры следует, что воздух с влажностью
50 %, нагретый до  20 °С, начнет конденсироваться на поверхностях, если их температура
ниже 10 °С. Поэтому, когда мы входим с мороза в помещение, у нас сразу запотевают очки, а
маска   для   подводного   плавания   быстро   запотевает   изнутри   при   погружении   в   воду.
Автомобилисты же часто жалуются на запотевание окон внутри неразогретых еще машин.
Чтобы   не   дать   образоваться   скоплению   мельчайших   капелек   на   холодном   стекле,
необходимо   уменьшить   поверхностное   натяжение   воды,   из   которой   они   состоят.   Тогда
капелькам   станет   энергетически   выгодно   сливаться   друг   с   другом,  образуя   пленку   воды,
которая   снова   сделает   окна   (или   очки)   прозрачными.   Чтобы   понизить   величину
поверхностного натяжения, можно просто натереть куском мыла поверхность стекла, а потом
сделать ее опять прозрачной, растерев какойнибудь тряпочкой. Таким же образом работают
и   фирменные   антизапотеватели,   цена   которых   часто   зависит   от   фантазии   и   корысти   их
производителей. Кроме того, следует помнить, что в прохладную погоду окна автомобиля
изнутри не будут потеть, если воздух у внутренней поверхности стекла постоянно движется и
когда стекла изнутри уже теплые.
Трещины в алмазе. Искусство гранения алмазов состоит в том, чтобы разделить кристалл именно так, как это
требуется. Скульптор тоже должен умело скалывать материал, с которым он работает. Если
вам приходилось резать стеклянные трубки, вы, наверное, делали это так: сначала на боковой
поверхности   трубки   делали   небольшую   насечку,   а   потом   надламывали   трубку;   это
предотвращало   появление   рваного   края.   Чем   определяется   направление   трещин?   Почему
вообще они возникают и расползаются дальше? Можно разломить кусок стекла при гораздо
меньшем усилии, чем это нужно для разрыва межатомных связей, но тем не менее эти связи
разрываются.   Как   удается   «оторвать»   атом   от   атома,   приложив   относительно   небольшую
силу?
Ответ: Трещины начинаются с микроскопических, порой незаметных дефектов, которые
образуются в материале либо при изготовлении предмета, либо в процессе пользования им.

Эти трещины сильно ослабляют структуру материала, так как концентрируют напряжение в
вершине трещины. В этом случае напряжения, которые сами по себе недостаточны для того,
чтобы нарушить целостность материала, могут способствовать продвижению трещины в глубь
(или вдоль) поверхности материала. Иногда трещины увеличиваются в результате коррозии. В
трещину   могут   проникать   инородные   молекулы,   нарушающие   связи   между   молекулами
вещества в вершине трещины и образующие соединения с этими молекулами.  Если  новое
соединение занимает больший объем, чем первоначальное, то оно «раздвигает» трещину.
Почему продукты быстро высыхают в холодильнике?
Ответ: В холодильной камере самое холодное место − испаритель − находится вверху,
откуда холодный и поэтому более тяжелый воздух опускается вниз. Соприкасаясь с более
теплыми   продуктами   и   стенками   холодильника,   воздух   нагревается,   а   его   относительная
влажность уменьшается, так как нагретый воздух в состоянии поглотить больше влаги, чем
холодный. Таким образом, холодный воздух, нагревшись, сразу становится сухим и отбирает
часть влаги у продуктов. Потом теплый, а значит, и более легкий воздух поднимается вверх к
испарителю, где охлаждается до первоначальной температуры, но влажность его оказывается
выше   изза   воды,   отобранной   у   продуктов.   Это   повторяется   несколько   раз,   пока
относительная влажность воздуха не превысит  100 %, и тогда на поверхности испарителя
появляются   капельки   воды   или   кристаллики   льда.   Так   циркулирующий   по   холодильнику
воздух «перевозит на себе» воду от более теплых продуктов к более холодному испарителю.
При этом продукты, лишаясь воды, охлаждаются, так как они теряют тепло, необходимое для
испарения влаги. Легко посчитать, например, что огурец массой  50 г, потеряв всего  0,1 г
влаги,   охладится   более   чем   на   один   градус.   Поэтому   сухие   продукты   охлаждаются   в холодильнике медленнее, чем влажные. А вообще, лучше хранить продукты в холодильнике в
закрытой   посуде   или   влагонепроницаемой   пленке,   хотя   остывать   они   будут,   конечно,
медленнее. Чтобы ускорить циркуляцию воздуха и охлаждение продуктов, в современных
моделях холодильников используют вентиляторы.
Полировка
Многие,   наверное,   знают,   какое   это   утомительное   занятие   начищать   металлические
поверхности,   скажем   столовые   приборы.   Что   именно   происходит   в   таком   случае:
микроабразивная   обработка   поверхности   или,   возможно,   при   полировке   поверхность
плавится?  Или, быть может, происходит просто «смазывание» бугорков? Впервые физику
этого   процесса   три   века   назад   пытался   объяснить   Исаак   Ньютон,   однако   до   недавнего
времени этот вопрос так и оставался до конца невыясненным, и лишь последние исследования
пролили   на   него   какойто   свет.   Что   такое   «гладкая»   поверхность   по   сравнению   с   чем
«гладкая»?   Что   должно   происходить   с   поверхностью   (на   молекулярном   уровне),   если
полировка   представляет   собой   абразивную   обработку,   «смазывание»   бугорков   или
расплавление поверхности?
Ответ: Процесс полировки поверхности заключается не в переносе
вещества с бугорков

во   впадины   и   не   в   нагреве   поверхности.   Первого   просто   не   происходит,   второе   же
нежелательно, поскольку при значительном нагреве поверхность может стать волнистой. В
процессе   полировки   удаляется   материал   с   бугорков   на   полируемой   поверхности.   При
сильном нажиме удаляются целые кусочки материала, при слабом − отдельные молекулы. В
конце концов, бугорки сравниваются с углублениями, и поверхность становится ровной на
микроскопическом уровне.
Почему водопроводные трубы иногда лопаются зимой?
Если вода всего лишь намерзает на внутренние стенки трубы, то труба не испытывает
большой нагрузки и, казалось бы, лопаться не должна. Кроме того, труба обычно лопается не
там, где намерзает лед. Так почему же разрываются трубы? Иногда во избежание разрывов
открывают находящиеся на улице краны, чтобы из них непрерывно капала вода? Помогает ли
это? Наконец, справедливо  ли широко распространенное убеждение,  что трубы с горячей
водой   лопаются   чаще,   чем   с   холодной?   Если   вы   ответили   на   эти   вопросы,   попробуйте
объяснить,   почему   трещина   в   лопнувшей   трубе  всегда   параллельна   ей.   Труба   никогда   не
лопается поперек. Ответ: Вначале

 лед образуется на стенках трубы и затем нарастает по радиусу внутрь
до тех пор, пока ледяная пробка не перекроет трубу. Пока это не случится, избыток воды,
обусловленный ее расширением при замерзании, просто выталкивается в магистраль. Но как
только возникает пробка, расширение замерзающей воды в пространстве между пробкой и
краном приводит к сильному повышению давления в трубе, и если кран закрыт, то труба
разрывается.   Трубы   с   горячей   водой   разрываются   чаще,   так   как   при   более   высокой
температуре   уменьшается   эффективность   центров   замерзания,   с   которых   начинается
образование   льда.   Это   в   свою   очередь   снижает   температуру   замерзания.   Поэтому   вода   в
горячей трубе переохлаждается, то есть охлаждается ниже 0 °С, а затем внезапно начинается
быстрое обледенение. При этом ледяная пробка резко расширяется, захватывая больше воды
в   пространстве   между   пробкой   и   закрытым   краном,   и   разрыв   трубы   становится   более
вероятным.
Почему необходимо внести изменения в рецепт пирога, если его придется печь на
высоте более 1000 м над уровнем моря?
В этом случае, как написано на коробке с полуфабрикатом, нужно добавить больше муки
и воды и выпекать пирог при более высокой температуре.
Ответ: Поскольку атмосферное давление падает с высотой, то при

 одной и той же
температуре печи на большей высоте из пирога будет выпариваться больше воды. Поэтому в
тесто нужно добавить больше воды. Кроме того, при пониженном атмосферном давлении
образующийся   внутри   пирога   газ   заставит   пирог   сильнее   подниматься.   При   этом   стенки
газовых   пузырьков   внутри   теста   могут   не   выдержать,
Чтобы пирог не пропал, можно, например, уменьшить
  и   пирог   опадет.
 количество сахара в тесте − тогда

газа   будет   образовываться   меньше.   Однако   недостаточное   количество   сахара   может
испортить вкус пирога, поэтому в рецепте рекомендуется не уменьшать количество сахара, а
увеличивать количество муки − результат будет тот же. Еще одна сложность. На большой высоте при той же температуре печи пирог не будет хорошо подрумяниваться, так как вода

там
более
Чтобы   пирог   тем   не   менее   получился   румяным,
кипит
при

низкой
температуре.
  следует   повысить   температуру   печи.

Конечно,   важно,   чтобы   при   всех   этих   изменениях   в   рецепте   пирог   оставался   пышным   и
мягким. Избыток муки увеличивает прочность теста на разрыв, а значит, и жесткость пирога.
Однако   более   сильное   расширение   теста   и   меньшая   температура   внутри   пирога   (что
замедляет свертывание белка) примерно в той же степени уменьшат жесткость пирога.
Когда было закончено строительство тоннеля под Темзой в Лондоне,
Тоннель под Темзой в Лондоне
городские   власти   решили   отметить   это   событие   в   самом   тоннеле.   Но   там,   к   сожалению,
шампанское  показалось   им  лишенным  обычной  игристости.  Зато,  когда  они  поднялись   на
поверхность, вино забурлило у них в желудках, стало раздувать жилеты и едва не запенилось
из   ушей.   Одного   высокопоставленного   чиновника   пришлось   срочно   спускать   обратно   для
рекомпрессии. Как объяснить случившееся?
Ответ:   Вследствие   того,   что   на   дне   тоннеля   давление   выше   атмосферного,   часть
углекислого   газа   оставалась   в   растворе.   Однако   когда   почетные   гости   поднялись   на
поверхность, газ начал выходить из раствора, и, чтобы замедлить этот процесс, им пришлось
вновь спуститься вниз. Вот до чего может довести людей пристрастие к алкоголю! Облачко над шампанским
Обращали ли вы внимание на облачко тумана, которое появляется у горлышка бутылки с
охлажденным лимонадом или шампанским сразу, как только ее открывают (рис.)? Чем это
объясняется?
Ответ: Когда открывают бутылку, сжатый газ в ней быстро адиабатически расширяется,
совершая   при   этом   работу   против   сил   атмосферного   давления.   В   результате   внутренняя

энергия газа и, следовательно, его температура понижаются, и поэтому содержащийся в газе
водяной пар частично конденсируется в виде тумана.
Автомобиль с открывающимся верхом
Хорошо, если у вашего приятеля есть автомобиль с открывающимся верхом. Как приятно
в   жаркий   день   прокатиться   с   ветерком   в   таком   автомобиле!   Никакая   жара   не   страшна.
Однако странно − ведь показания термометра должны быть одинаковы, с ветерком или без
ветерка.  Проверьте  это. Измерьте температуру  на  заднем  сиденье,   когда  машина  стоит и
когда она движется. Скорее всего, вы обнаружите, что при движении  машины термометр
показывает примерно на 0,5° С меньше. Почему? Попробуйте также проверить, не понижается
ли при быстрой езде температура крыши автомобиля.
Ответ:   Воздушный   поток,   проходящий   над   открытым   автомобилем,   приводит   к
понижению давления над ним. Воздух здесь расширяется и слегка охлаждается. Аналогичный
эффект наблюдается при движении самолета: в стремительном потоке, обтекающем крыло,
воздух охлаждается − это можно иногда заметить по туману, образующемуся над крылом.
«Барашки» на небе
Почему на небе иногда появляются облака в форме «барашков»? Почему эти «барашки»
порой бывают разделены яркими просветами? Ответ: Облакабарашки возникают, когда плотный облачный слой «зависает», а затем

опускается (как нисходящий тепловой поток) в слой сухого воздуха.
Исчезающие облака
Когда   ранним   летним   утром   небо   бывало,   затянуто   низкими   облаками,   моя   бабушка
говорила, что солнце их «сожжет» и день будет солнечным. И действительно, чуть позже
облака часто исчезали. Может быть, бабушка была права и облака на самом деле «сгорали» от
поглощаемого ими тепла? Верно ли это?
Ответ: Большая часть видимого солнечного света, падающего на облака, проходит сквозь
них   и   поглощается   землей.   По   мере   согревания   земли   ее   тепловое   (длинноволновое)
излучение возрастает. Облака поглощают это излучение, и со временем разность температур
между  основанием   и  вершиной   облака   становится  достаточной  для   того,  чтобы  возникли
турбулентные потоки. Они и разрушают облака.
Неподвижные облака
Если   вам   приходилось   жить   вблизи   гор,   то   вы,   наверное,   обращали   внимание   на
неподвижные облака, которые часто образуются у горных вершин. На рис. показаны два типа
таких облаков. Как они образуются? Порой вблизи вершины можно также наблюдать еще
более   загадочные   «волнообразные»   последовательности   облаков.   Чем   объясняется   их
пространственная «периодичность»?
Ответ: Двигаясь вверх по склону горы, воздух расширяется и охлаждается;  при этом
часть содержащегося в нем водяного пара конденсируется. Если конденсация происходит
прямо   над   вершиной   горы,   то   образуется   чечевицеобразное   облако.   При   сильном   ветре
конденсация происходит и с подветренной стороны горы, в турбулентном потоке. В обоих
случаях   облака   кажутся   неизменными,   на   самом   же   деле   они   все   время   распадаются   и
возникают вновь. С подветренной стороны воздух, перетекающий через гору, иногда начинает
волнообразно колебаться, и это приводит к образованию облаков, имеющих периодическую
структуру.   Длина   волны   таких   колебаний   зависит   от   скорости   ветра   и   от   изменения
плотности воздуха с высотой. Если последняя меняется слабо (то есть атмосферные условия
довольно стабильны) и колебания воздуха происходят медленно, то их длина волны, а значит
и расстояние между отдельными облаками, значительна. При сильных изменениях плотности
воздуха   с   высотой   колебания   воздушного   потока   совершаются   быстрее   и   соответственно
длина волны и расстояние между облаками невелики. Чем выше скорость ветра, тем больше
расстояние между верхушками волн. Поэтому чем сильнее ветер, тем дальше облака отстоят
друг от друга. «Дыры» в облаках
Иногда в ровном облачном покрове можно видеть загадочные − обычно довольно большие
круглые дыры. Повидимому, это не случайная игра природы. Образование этих дыр пытались
объяснять   поразному:   за   счет   сгорающих   в   атмосфере   метеоров   или   загрязнения   ее
химически активными веществами. Так почему же возникают такие дыры в облаках?
Ответ:   Причина   образования   «дыр»   в   облаках   до   конца   еще   не

  выяснена.   Одно   из
возможных объяснений таково: в слое кучевых облаков накапливаются (естественным или
искусственным путем) центры кристаллизации, вызывающие внезапное образование ледяных
кристаллов,   которые   в   свою   очередь   сами   служат   центрами   кристаллизации.   Растущие
ледяные кристаллы выпадают из облака, в результате чего там и возникает «дыра».
Туманы
За   последнее   десятилетие   лондонские   туманы   стали   слабее.   Одна   из   причин   этого
заключается в том, что теперь для отопления все реже пользуются угольными каминами. Как
угольные камины могут влиять на туман? И что вообще вызывает туманы?
Ответ:  Туманы  в  соответствии  с  природой  их  образования  разделяют

  на несколько
типов. Радиационный туман образуется, когда влажный воздух
 охлаждается, излучая тепло
в   пространство,   и   избыток   водяного   пара   в   нем   вследствие   увеличения   относительной

влажности конденсируется.
Адвекционный

 туман возникает, когда теплый влажный воздух «натекает» на холодную
поверхность земли  или  на холодный  водоем.  При этом влажность не обязательно должна
достигать 100 %, так как в атмосфере имеется достаточно центров конденсации, благодаря
которым конденсация и образование тумана могут происходить даже при влажности  60 %.
Вблизи океанов центрами конденсации могут служить частицы соли, а вблизи городов ими
чаще   всего   оказываются   твердые   частицы,   которые   выбрасываются   в   атмосферу
промышленными предприятиями.
В прошлом в Лондоне
 угольные камины вносили немалый вклад в образование таких
центров  конденсации.   Когда   же   открытое   сжигание   угля   сократилось,   конденсация   паров

уменьшилась,   поэтому   туманы   стали   реже.   Иногда   температурная   инверсия   (когда   слой
теплого воздуха располагается над слоем холодного), удерживая промышленные загрязнения
вблизи земли, порождает смог. Именно вследствие такой инверсии в декабре 1952 г. Лондон
был окутан плотным черным туманом, и видимость в течение нескольких
Капли на стекле Если в холодный день подышать на оконное стекло, на нем образуются капельки. Почему?
Точнее,   что   именно   заставляет   собираться   в   капельки   молекулы   воды?   Почему   капельки
образуются на стекле именно в этих точках, а не в других? Чем отличаются  эти точки?
Почему тарелка становится влажной после того, как на ней полежит горячий пирог? (По тем
же причинам запотевают  очки и окна автомобилей.  А почему появляется иней  на степах
кирпичных домов при резком потеплении? Кстати, почему запотевшее от дыхания стекло
быстро высыхает, если на него подуть?
Ответ:   Когда   при   дыхании   теплый   насыщенный   влагой   воздух   попадает   на   холодное
стекло, он охлаждается и избыток пара конденсируется в виде капелек. Они возникают на
центрах   конденсации,   имеющихся   на   стекле   или   в   ближайших   к   нему   слоях   воздуха.
Аналогичным образом горячий пирог «дышит» на холодную тарелку.
Как быстрее поджарить большой кусок мяса?
Можно насадить его на железный прут, как обычно делают, когда пекут картошку. Тепло
тогда лучше проникает внутрь мяса, и оно готовится быстрее. Однако в США, например,
продается специальное приспособление, предназначенное для этой цели. Оно представляет
собой закрытую с обоих концов трубку, внутри которой проходит смоченный водой фитиль
(рис.). Утверждается, что такая трубка проводит тепло в  1000 раз  лучше, чем сплошной
стержень, в результате время готовки  сокращается вдвое. Но почему? Чем полая трубка
может быть лучше сплошного стержня и причем тут фитиль и вода?
Ответ:   Нижний,   более   широкий   конец   приспособления   для   жаренья   мяса   согревается
теплом   духовки,   и   вода,   заключенная   внутри   трубки,   нагревается   и   превращается   в   пар,
потребляя при этом большое количество тепла, которое необходимо для перехода воды из
жидкого состояния в газообразное. Горячий пар поднимается в верхний конец трубки, на
который   насажен   относительно   холодный   кусок   мяса.   Здесь   пар   конденсируется,
высвобождая тепло, которое в свое время было затрачено на переход воды в пар. Жидкая
вода   стекает   по   трубке   вниз,   и   цикл   начинается   сначала.   При   использовании   такого
приспособления мясо получает в 100 − 1000 раз больше тепла, чем в случае цельного стержня
из того же металла, что обусловлено большой удельной теплотой парообразования.
Почему при сбивании яичные белки из жидкости превращаются в густую пену?
Приготавливая, например, пирожные безе, белки взбивают до тех пор, пока они не начнут
«стоять»   (когда   сбивалку   вынимают   из   белка,   пена   оказывается   настолько   густой,   что
буквально «стоит колом»). Каким образом взбивание делает белок таким плотным? Другой аналогичный вопрос: в результате чего яичный белок − прозрачная бесцветная жидкость −
превращается в белое, почти твердое вещество, когда вы, скажем, жарите яичницу?
Ответ: Молекулы  в яичном белке  запутаны, как  макароны. Когда белок  сбивают  или
нагревают, молекулы расправляются и начинают сильнее притягивать друг друга, поэтому
белок становится жестче.
Почему тело утонувшего человека вначале погружается на дно, а через несколько дней
Почему всплывает утопленник?
всплывает?
Ответ: Тела утонувших всплывают потому, что их объем увеличивается под действием
скопившихся в них газов.
Жизнь и второе начало термодинамики.
«Вы   остаетесь,
  а   люди   и   вещи   кругом   прахом   идут...».
  Селин.
Термодинамика учит нас, что энтропия − мера беспорядка в системе − при необратимых
процессах всегда увеличивается (это так называемое «второе начало термодинамики»). А как
же тогда рассматривать рождение и жизнь? Не служит ли появление на Земле человека и его
развитие   нарушением   этого   закона,   поскольку   в   ходе   этого   процесса   упорядоченность
системы увеличивается? Не опровергается ли второе начало всей эволюцией жизни на Земле?
Ответ:   Этот   вопрос   весьма   популярен   среди   студентовфизиков,   но   в

  нем   не
учитывается   одно   важное   обстоятельство:   биологическая   система   (например,   человек)   не
является изолированной и не находится в термодинамическом равновесии,  поскольку для
своего существования она должна постоянно получать энергию извне. Поток энергии через
конкретную систему может упорядочить ее, то есть уменьшить ее энтропию, однако полная
энтропия   Вселенной   возрастает.   В   настоящее   время   подробный   математический   анализ
уменьшения энтропии биологической системы можно найти во многих научных трудах. Симметрия снежинок.
Почему снежинки имеют форму шестиугольника или шестиконечной звездочки? Почему
все шесть концов снежинки совершенно одинаковы? Как в процессе роста снежинки одна
сторона «узнает», что делают ее соседи?
Ответ:   Гексагональная   структура   снежинок   определяется   гексагональной   «упаковкой»
молекул   воды,   образующих   снежинку.   Как   только   возникает   начальный   «зародышевый»
кристалл, молекулы воды собираются в его углах и постепенно нарастают, образуя «веточки»
снежинки, Форма снежинки зависит от скорости ее падения, температуры и концентрации
водяных паров. Однако конкретный характер этих зависимостей  мало изучен. Симметрия
снежинок   свидетельствует   о   том,   что   условия   присоединения   молекул   и   роста   ветвей   в
пределах одной снежинки должны быть всюду одинаковы.

file_name: Молекулярная физика. Тепловые явления.doc

intro: Материал содержит подборку качественных задач с подробными ответами по физике к разделу "Молекулярная физика. Тепловые явления". Данный материал может быть использован преподавателями физики общеобразовательных школ и системы СПО с целью повышения мотивации к урокам физики, активизации познавательной деятельности на уроках и развития понимания практико-ориентированности данной дисциплины.

title: Качественные задачи. Молеклярная физика. Тепловые явления.