Номер 3, страница 85 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова, Сокольский

3. Почему на льду трудно разогнаться без коньков, но легко — на коньках?

Решение

Для того чтобы разогнаться, то есть увеличить свою скорость, телу необходимо взаимодействовать с опорой. Согласно третьему закону Ньютона, чтобы начать движение вперед, необходимо оттолкнуться от опоры назад. Сила, которая толкает тело вперед, является силой реакции опоры. Разница в разгоне на льду без коньков и на коньках объясняется принципиально разным механизмом этого взаимодействия.

Почему на льду трудно разогнаться без коньков

Когда человек в обычной обуви пытается оттолкнуться от льда, единственная сила, которая может его ускорить, — это сила трения покоя. Лед является очень гладкой поверхностью, поэтому коэффициент трения $\mu$ между подошвой обуви и льдом очень мал. Максимальная сила трения, которую можно создать, определяется выражением $F_{тр.макс} = \mu N$, где $N$ — это сила нормальной реакции опоры (практически равная весу человека). Поскольку коэффициент трения $\mu$ очень мал, то и максимальная сила, с которой можно оттолкнуться, не причиняя проскальзывания, тоже очень мала. Любая попытка приложить большее усилие приведет к тому, что нога соскользнет. Следовательно, и ускорение, получаемое человеком, будет незначительным.

Почему на льду легко разогнаться на коньках

Коньки используют совершенно иной физический принцип. Их эффективность обусловлена двумя факторами:
1. Создание упора для отталкивания. Тонкое и острое лезвие конька создает огромное давление на лед, так как вес человека распределяется на очень малую площадь. Давление $p$ вычисляется как отношение силы (веса) $F$ к площади опоры $S$: $p = F/S$. Благодаря высокому давлению, лезвие конька легко врезается в лед. Чтобы разогнаться, конькобежец ставит лезвие под углом к поверхности и отталкивается вбок-назад. Врезавшееся в лед лезвие создает надежный упор, позволяя оттолкнуться от твердого льда с большой силой. По третьему закону Ньютона, лед толкает конькобежца с равной по модулю, но противоположно направленной силой, составляющая которой направлена вперед и обеспечивает мощное ускорение.
2. Обеспечение легкого скольжения. В то же время, высокое давление под лезвием конька понижает температуру плавления льда. В результате под лезвием образуется тончайший слой жидкой воды, который действует как смазка. Этот слой резко снижает трение скольжения, когда конек движется прямо, что позволяет легко и долго катиться вперед.

Ответ: Без коньков разогнаться трудно из-за очень малой силы трения между обувью и льдом, которая не позволяет эффективно оттолкнуться. На коньках разогнаться легко, потому что их острые лезвия врезаются в лед, создавая надежный упор для сильного толчка, а для последующего скольжения вперед трение минимально благодаря тонкой водяной пленке, образующейся под лезвием из-за высокого давления.