Tại sao túi không trượt?

56

Vật lý 8, 9, 10

Ghi chú được xuất bản bên dưới “Tại sao túi không trượt?” dành cho học sinh lớp tám, ghi chú “Cực quang” - dành cho học sinh lớp chín, “Về các định luật Newton và “ý chí tự do” - dành cho học sinh lớp mười.

Tại sao túi không trượt?

Trong một buổi học, giáo viên đặt hộp diêm lên bàn và đặt một cốc nước lên hộp (hình 1).
– Làm thế nào để lấy hộp ra mà không chạm vào kính? Sự lôi kéo? Không, kính sẽ đi theo hộp. Bây giờ hãy nhìn xem.
Giáo viên nhấc một cây thước nặng lên, đẩy nó sang một bên và

Mahu đánh vào hộp. Que diêm bay vào góc xa, zagostan đứng trên bàn, gần như bất động trước cú đánh!
Tại sao kính không di chuyển? Để tránh hiểu lầm, chúng tôi xin nhắc bạn rằng giáo viên không đánh vào kính mà vào hộp.
Trên tấm kính nằm ngang chỉ có lực ma sát từ thành hộp $F_{\text{тр}} = \mu m_{\text{ст}} g$ tác dụng.
Tất nhiên, với sự trợ giúp của một lực như vậy, bạn có thể truyền một tốc độ đáng chú ý đến tấm kính bằng cách di chuyển hộp qua bàn với một gia tốc nhẹ (hãy nghĩ về các giới hạn mà điều này sẽ nằm trong đó)

Hình 1.

57

tăng tốc để kính không bị trượt). Vấn đề không nằm ở độ lớn của lực mà ở chỗ khi va chạm mạnh hộp tuyến tính sẽ bay ra ngoài ngay lập tức và lực của khay tác động rất ngắn. Ngắn đến mức lực này không có thời gian để truyền bất kỳ xung lực đáng chú ý nào $\Delta P_x = F_{\text{tp}} \Delta t$ tới kính.

Ví dụ này cho thấy khi phân tích các lực tác dụng lên một vật hoặc lên một hệ vật cũng cần tính đến thời gian tác dụng của chúng. Ví dụ, khi có một vết đứt từ bên ngoài, một ngoại lực tác dụng lên nó - lực hấp dẫn. Mặc dù vậy, chúng ta có thể giả sử rằng động lượng của hệ được bảo toàn (động lượng bên ngoài bằng tổng động lượng của các mảnh), vì sự thay đổi động lượng của hệ trong một thời gian nổ rất ngắn là không nhỏ.

“Không,” một học sinh tinh ý có thể phản đối, “rõ ràng có điều gì đó không ổn ở đây!” Hãy nhìn quả bóng cứng bật ra khỏi sàn (hình 2). Thời gian tác động ngắn và sự thay đổi động lượng khá dễ nhận thấy:

$$\Delta P_y = mv - (-mv) = 2mv.$$

Có chuyện gì vậy?

Học sinh này chắc chắn đúng. Không phải lúc nào tác dụng của một lực cũng trở nên không đáng kể trong một thời gian ngắn tác dụng của nó.*) Điều này chỉ đúng trong trường hợp khi độ lớn của lực là cố định, chẳng hạn như trong lực hấp dẫn. Tình hình hoàn toàn khác với lực phản lực của mặt đất,

*) Tác dụng của lực có thể được thay đổi bởi xung lực mà nó truyền đến cơ thể, tác động đồng thời. Trong trường hợp lực không đổi, đại lượng này (được gọi là xung lực) bằng $\vec{F} \Delta t$, trong trường hợp lực thay đổi - $\sum \vec{F}_i \Delta t_i$. Lực trung bình được nhìn nhận theo cách khác, được xác định bằng đẳng thức $\vec{F}_{\text{cp}} \Delta t = \sum \vec{F}_i \Delta t_i$.

Tác động lên quả bóng khi nó chạm vào mặt phẳng. Ví dụ: nếu chúng ta cộng thêm thời gian va chạm giảm theo hệ số 10 (do độ cứng của vật liệu của quả bóng và mặt phẳng), thì giá trị trung bình của phản lực sẽ tăng gấp 10 lần và độ biến thiên động lượng của quả bóng vẫn sẽ bằng $2mv$. Chúng ta sẽ gọi những lực đó là điều kiện sốc. Hành động của họ có thể có ý nghĩa quan trọng trong bất kỳ tương tác nào, dù ngắn đến đâu.

Ví dụ, hãy xem xét một khẩu pháo tạo ra một phần nhô ra tại thời điểm nó trượt khỏi mặt phẳng nghiêng chính (hình 3). Có thể áp dụng định luật bảo toàn động lượng để xác định vận tốc của khẩu pháo sau khi bắn được không? Có thể, nhưng trước tiên bạn cần tìm hướng trong hình chiếu sao cho trọng lượng của lực bằng 0, và chỉ sau đó mới viết định luật bảo toàn động lượng. Nhưng không có hướng như vậy trong trường hợp của chúng tôi! Hệ thống chịu tác dụng của trọng lực $\vec{m g}$ và phản lực hỗ trợ $\vec{N}$. Bằng cách chọn trục ngang, chúng ta loại bỏ lực hấp dẫn (hình chiếu của nó bằng 0), nhưng lực $\vec{N}$ vẫn còn. Nếu chúng ta chọn một trục hướng dọc theo mặt phẳng thì ngược lại lực hấp dẫn vẫn giữ nguyên. Ưu tiên trước là gì? Tất nhiên là chúng ta cần phải loại bỏ lực phản ứng. Đối với chúng ta, lực hấp dẫn không phải là STRAsha - tác dụng cân của nó rất nhỏ. Ví dụ, phản lực là lực sốc; hành động của nó có thể dẫn đến một sự thay đổi đáng kể về động lượng. Nhưng vì nó thay đổi theo mặt phẳng nghiêng nên xung lực của hệ đạn pháo theo hình chiếu lên hướng chuyển động của súng đối với hệ thống treo sẽ không tồn tại.