Номер 8, страница 135 - гдз по физике 7 класс учебник Исаченкова, Громыко

8. Хоккеист бьет клюшкой по неподвижной шайбе. Какие силы действовали на шайбу в момент удара и при скольжении шайбы? Чему равна их работа?

Решение

Для ответа на вопрос необходимо рассмотреть два различных этапа движения шайбы: момент удара и последующее свободное скольжение по льду.

В момент удара

В тот короткий промежуток времени, когда клюшка воздействует на шайбу, на последнюю действуют следующие силы:

1. Сила тяжести ($F_{тяж}$): приложена к центру масс шайбы и направлена вертикально вниз.

2. Сила реакции опоры ($N$): действует со стороны льда на шайбу, направлена вертикально вверх, перпендикулярно поверхности.

3. Сила удара клюшки ($F_{удар}$): толкающая сила, направленная горизонтально в сторону, куда полетит шайба.

4. Сила трения скольжения ($F_{тр}$): возникает между шайбой и льдом, направлена горизонтально, в сторону, противоположную силе удара.

Работа ($A$) силы вычисляется по формуле $A = F \cdot s \cdot \cos\alpha$, где $F$ – модуль силы, $s$ – модуль перемещения, $\alpha$ – угол между направлением силы и направлением перемещения.

• Работа силы тяжести и силы реакции опоры равна нулю. Обе эти силы перпендикулярны горизонтальному перемещению шайбы, поэтому угол $\alpha$ для них равен $90^\circ$, а $\cos(90^\circ) = 0$. Следовательно, $A_{тяж} = 0$ и $A_{N} = 0$.

• Работа силы удара клюшки положительна. Эта сила сонаправлена с перемещением шайбы ($\alpha = 0^\circ$, $\cos(0^\circ) = 1$). Именно эта работа сообщает шайбе начальную кинетическую энергию: $A_{удар} > 0$.

• Работа силы трения отрицательна. Сила трения направлена в сторону, противоположную перемещению ($\alpha = 180^\circ$, $\cos(180^\circ) = -1$). Эта работа "отнимает" часть энергии, сообщаемой клюшкой: $A_{тр} < 0$.

Ответ: В момент удара на шайбу действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила удара клюшки и сила трения. Работа силы удара положительна, работа силы трения отрицательна, а работа силы тяжести и силы реакции опоры равна нулю.

При скольжении шайбы

После того как удар завершен и шайба свободно скользит по льду, сила удара клюшки больше не действует. На шайбу действуют:

1. Сила тяжести ($F_{тяж}$): направлена вертикально вниз.

2. Сила реакции опоры ($N$): направлена вертикально вверх.

3. Сила трения скольжения ($F_{тр}$): направлена горизонтально, против вектора скорости шайбы.

Также на шайбу действует сила сопротивления воздуха, направленная против движения, но обычно ее вклад считают незначительным по сравнению с силой трения о лед.

• Работа силы тяжести и силы реакции опоры, как и в первом случае, равна нулю, так как они перпендикулярны перемещению.

• Работа силы трения отрицательна. Сила трения направлена против перемещения, поэтому она совершает отрицательную работу ($A_{тр} < 0$), уменьшая кинетическую энергию шайбы и в итоге останавливая ее.

• Работа силы сопротивления воздуха (если ее учитывать) также отрицательна по той же причине.

Ответ: При скольжении на шайбу действуют сила тяжести, сила реакции опоры и сила трения. Работа силы трения отрицательна, а работы силы тяжести и силы реакции опоры равны нулю.