Номер 2, страница 74 - гдз по физике 7 класс учебник Исаченкова, Громыко

2. Самые большие корабли (супертанкеры) на то, чтобы развернуться, тратят не менее получаса. Почему?

Решение

Причина, по которой супертанкеры тратят так много времени на разворот, заключается в явлении инерции, которое проявляется особенно сильно из-за их гигантских размеров и массы. Этот эффект можно объяснить несколькими ключевыми факторами.

Во-первых, это огромная масса и инерция поступательного движения. Супертанкеры имеют колоссальную массу, достигающую сотен тысяч тонн. Согласно второму закону Ньютона, сила $F$, необходимая для изменения скорости тела, пропорциональна его массе $m$ и ускорению $a$: $F = ma$. Из этого следует, что для придания телу ускорения требуется сила, и чем больше масса тела, тем большую силу нужно приложить для достижения того же ускорения ($a = F/m$). Когда корабль разворачивается, он движется по дуге, то есть его вектор скорости постоянно меняет направление. Это означает, что корабль испытывает центростремительное ускорение. Чтобы создать это ускорение, руль и винты должны приложить огромную боковую силу. Однако из-за гигантской массы танкера результирующее ускорение очень мало. Следовательно, изменение направления движения происходит крайне медленно.

Во-вторых, это большие размеры и инерция вращательного движения. Помимо поступательного движения, при развороте корабль также совершает вращательное движение вокруг своей вертикальной оси. Способность тела сопротивляться изменению скорости вращения характеризуется моментом инерции $I$. Момент инерции зависит не только от массы, но и от того, как эта масса распределена относительно оси вращения. Для вытянутого объекта, каким является супертанкер (длиной до 400 метров), момент инерции очень велик. Чтобы заставить корабль поворачиваться (то есть придать ему угловое ускорение $\epsilon$), необходимо приложить вращающий момент $M$. Связь между ними описывается аналогом второго закона Ньютона для вращательного движения: $M = I\epsilon$. Поскольку момент инерции $I$ у супертанкеров огромен, даже значительный вращающий момент, создаваемый рулём, приводит лишь к очень малому угловому ускорению ($\epsilon = M/I$). Это означает, что корабль очень "неохотно" начинает и прекращает вращение.

В-третьих, это сопротивление воды. Огромная подводная часть корпуса создает значительное гидродинамическое сопротивление. При повороте корабль движется не только вперед, но и частично боком, подставляя воде большую площадь борта. Это создает дополнительную силу сопротивления, которая противодействует маневру и которую двигателям и рулю необходимо преодолевать. Вода — плотная среда, и "сдвинуть" огромные ее массы в сторону при повороте требует времени и энергии.

В совокупности эти факторы — огромная масса, гигантский момент инерции и значительное сопротивление воды — приводят к тому, что любой маневр супертанкера, особенно такой сложный, как разворот на 180 градусов, представляет собой очень медленный и инертный процесс. Радиус циркуляции (радиус траектории разворота) супертанкера может составлять несколько километров, а тормозной путь — десятки километров. Прохождение такого большого пути занимает значительное время, которое и составляет "не менее получаса".

Ответ: Супертанкеры тратят так много времени на разворот из-за своей огромной инерции. Их колоссальная масса и большие размеры (огромный момент инерции) приводят к тому, что для изменения как линейного, так и вращательного движения требуются огромные силы и время. Кроме того, значительное сопротивление воды дополнительно замедляет маневр.