Качественные задачи по физике в средней школе и не только… (Тульчинский) - страница 67

Рис. 78

Другой подход к решению этой задачи – переход в неинерциальную систему отсчета, связанную с ускоряющейся цистерной. В этой системе отсчета появляются силы инерции, которые действуют в сторону, противоположную ускорению цистерны, и ведут себя как «дополнительная гравитация», направленная назад по ходу движения. Возникает в точности такая же ситуация, которая наблюдалась бы в цистерне, поднимающейся равномерно по наклонной плоскости под углом β к горизонту (попробуйте самостоятельно построить диаграммы сил в пустой и наполненной цистерне для такого равномерного движения под наклоном).

105. Своевольный воздушный шарик

Если ускорение небольшое, чемодан останется лежать на месте, а мячик покатится по столу в направлении, противоположном направлению ускорения. В инерциальной системе отсчета, покоящейся относительно земли, чемодан и мячик стремятся сохранить постоянную скорость, а вагон ускоряется, как бы «уезжая из-под них». За счет силы трения он увлекает чемодан за собой, и тот тоже ускоряется, а вот сила трения качения очень мала, и ее недостаточно, чтобы мячик остался неподвижным относительно вагона. Если ускорение вагона велико, то и силы трения между чемоданом и полом может не хватить для ускорения чемодана – и тогда чемодан тоже начнет смещаться в направлении, противоположном ускорению.

Самое интересное будет происходить с воздушным шариком: он поведет себя вопреки тому, что подсказывает нам интуиция. Проще всего понять это, перейдя в неинерциальную систему отсчета, связанную с вагоном. В этой системе отсчета на все тела в вагоне (включая воздух) будет действовать сила инерции, ведущая себя как «дополнительная горизонтальная гравитация»: эта сила будет направлена горизонтально против ускорения вагона и для каждого из тел по величине окажется пропорциональна массе тела. На шарик, наполненный гелием, помимо настоящей гравитации и силы инерции будет действовать выталкивающая архимедова сила со стороны окружающей среды (воздуха). Как в задаче 104, сила Архимеда будет направлена против векторной суммы гравитационной силы и силы инерции, то есть не вертикально вверх, а под наклоном к горизонту в сторону ускорения (рис. 79).

Рис. 79

Однако в случае шарика с гелием выталкивающая сила по модулю превзойдет сумму силы тяжести и силы инерции и заставит шарик двигаться вверх и в сторону по направлению ускорения. Движение вверх закончится тем, что шарик упрется в потолок – и появится сила реакции опоры, направленная вниз, то есть не дающая шарику подниматься выше. А вот горизонтальная составляющая силы Архимеда останется не скомпенсированной и вынудит шарик ускоряться влево. Тут важно вспомнить, что мы