Качественные задачи по физике в средней школе и не только… (Тульчинский) - страница 49

Рис. 66

На рисунке видно, что наша толкающая сила создает момент, который вращает шкаф против часовой стрелки, то есть стремится его опрокинуть, а сила тяжести создает момент, вращающий шкаф по часовой стрелке, то есть стремящийся вернуть его на место. Однако, если нам удастся наклонить шкаф до такого положения, что центр тяжести окажется левее оси вращения, момент силы тяжести поменяет направление и тоже станет опрокидывающим.

Можно взглянуть на это и с точки зрения энергии. Потенциальная энергия шкафа определяется высотой его центра тяжести. Когда центр тяжести находится в точности над точкой опоры, его высота над поверхностью земли, а значит, и потенциальная энергия шкафа максимальны. Движение как в одну, так и в другую сторону из этого положения уменьшит потенциальную энергию, поэтому такое положение неустойчиво. Достаточно лишь малейшего дополнительного толчка, чтобы шкаф опрокинулся.

Узкий шкаф оказывается в таком неустойчивом положении при меньшем наклоне (рис. 67).

Рис. 67

Попробуйте продолжить этот анализ и понять, где лучше толкать шкаф (ближе к нижней части или ближе к верхней), чтобы сдвинуть его с места, а не опрокинуть.

61. Осторожно в виражах!

Водитель опасается опрокидывания автомобиля. Чтобы понять, почему это особенно важно для цистерны, посмотрим, что происходит на повороте с обычным грузовиком и с цистерной.

Поскольку мы будем пользоваться методами статики, то есть следить за равновесием сил и моментов сил, нам будет удобно смотреть на ситуацию из системы отсчета, связанной с автомобилем. Однако эта система отсчета – неинерциальная, поэтому нужно учесть силы инерции. В нашем случае такая сила одна – центробежная сила F_>ц.б., направленная в сторону, противоположную повороту. На рис. 68 грузовик и цистерна поворачивают направо, а центробежная сила направлена влево. Кроме того, на автомобили действует сила тяжести G, сила реакции опоры N и сила трения F_>тр. Сила трения уравновешивает центробежную силу, а сила реакции опоры – силу тяжести.

Опрокидывание автомобиля – это вращательное движение относительно оси O, проходящей через край левого колеса. Когда автомобиль на грани опрокидывания, сила трения и сила реакции опоры приложены на оси O, так что их моменты равны нулю. Сила тяжести и центробежная сила приложены к одной и той же точке – центру тяжести C, а это позволяет сразу рассматривать их сумму F.

Рис. 68

То, опрокинется ли автомобиль, зависит от того, куда действует на рисунке момент этой суммарной силы – по часовой стрелке или против. Момент действует против часовой стрелки, если вектор силы