Pogrupuj poniższe sytuacje na takie, w których pojawia się siła bezwładności i na takie, w których działająca siła ma inny charakter. siła bezwładności Możliwe odpowiedzi: 1. człowiek w poruszającej się windzie
Pogrupuj poniższe sytuacje na takie, w których pojawia się siła bezwładności i na takie, w których działająca siła ma inny charakter. siła bezwładności Możliwe odpowiedzi: 1. człowiek w poruszającej się windzie
Pogrupuj podane sytuacje na takie, które są spowodowane istnieniem siły bezwładności i takie, które wynikają z istnienia innych rodzajów sił.
zjawisko przeciążenia w startującej rakiecie, spadające z półek walizki w hamującym pociągu, ruch elektronów na orbitach dookoła jąder atomowych, dziecko "wciśnięte" w krzesełko kręcącej się karuzeli, wznoszenie się balonu wypełnionego gorącym powietrzem
siła bezwładności
inny rodzaj siły
11
Ćwiczenie 4
R9C6XW9EbpK8V
Dlaczego należy zawsze zapinać pasy bezpieczeństwa w samochodzie lub samolocie?
Samochód lub samolot podczas gwałtownego (np. awaryjnego) hamowania doznaje bardzo dużych przyspieszeń, których zwrot jest przeciwny do zwrotu prędkości pojazdu. Oznacza to, że zwrot siły bezwładności jest zgodny ze zwrotem prędkości. Jeśli nie zapniemy pasów, możemy zostać wypchnięci do przodu i uderzyć w przednią szybę samochodu bądź w przednie siedzenie, jeśli siedzimy z tyłu. Przy zapiętych pasach siła bezwładności powoduje rosnący nacisk na nie oraz ich rozciągnięcie - pojawia się (sprężysta) siła reakcji działająca na pasażera i kompensująca siłę bezwładności.
11
Ćwiczenie 5
Dlaczego podczas szybkiej jazdy rowerem nie należy gwałtownie hamować?
Gdy jedziemy rowerem, podczas gwałtownego hamowania sytuacja jest zbliżona do jazdy samochodem bez zapiętych pasów. Z powodu istnienia siły bezwładności, rowerzysta może (ponad kierownicą) zostać wyrzucony do przodu.
Ciekawostka: Czy wiesz, jak należy prawidłowo hamować na rowerze? Przede wszystkim: nie należy hamować gwałtownie, gdyż może to spowodować zablokowanie kół i utratę sterowności roweru. Przy gwałtownym wciśnięciu przedniego hamulca może ponadto dojść do podniesienia tyłu roweru do góry, co jeszcze pogorszy sytuację.
Co zatem należy robić? Gdy korzystamy z któregokolwiek hamulca (przedniego lub tylnego), rower zaczyna hamować, a my wychylamy się do przodu z powodu działania siły bezwładności. Wzrasta wtedy nacisk na przednie koła, maleje zaś na koła tylne. Siła tarcia hamująca przód roweru zwiększa się zatem względem siły hamującej jego tylną część, nawet przy tak samo mocno naciśniętych hamulcach. Po rozpoczęciu hamowania należy zatem przesunąć ciężar ciała do tyłu – wzrośnie wtedy tylna siła hamująca. Aby ją skompensować, należy lekko docisnąć przedni hamulec i rozluźnić tylny. Siła tarcia działająca na przednie i na tylne koło powinna być zbliżona.
Osobnym problemem jest hamowanie na górskiej szosie w przypadku roweru z hamulcami tradycyjnymi (tj. nie tarczowymi). Ogrzewanie się obręczy bywa niebezpiecznie i doświadczenie niektórych sugeruje, że trzeba stracić 1‑2 opony, zanim się tę sztukę opanuje, ew. uczyć się od doświadczonych. Wskazówki: nie należy bać się rozsądnej prędkości; jeśli profil zakrętu pozwala - najlepiej jest skończyć hamowanie praktycznie w połowie zakrętu; przed zakrętem dobrze jest hamować „impulsami”.
R3fKTROjvdPjp
11
Ćwiczenie 6
RVjSDSgKy660C
Wyjaśnij, dlaczego podczas gwałtownego hamowania pociągu źle umieszczone na półkach bagaże mogą spaść na podłogę. Czy taka możliwość dotyczy wszystkich półek bagażowych w przedziale?
Gdy pociąg hamuje, na wszystkie znajdujące się w nim obiekty (w tym także bagaże na półkach) działa siła bezwładności, tym większa, im pociąg gwałtowniej hamuje. Jeśli spojrzymy na układ z punktu widzenia pasażera siedzącego przodem do kierunku jazdy pociągu, to spaść mogą przedmioty, które znajdują się na półce naprzeciw niego – działająca na nie siła bezwładności jest skierowana do brzegu półki. W przypadku półek znajdujących się nad głową pasażera siła bezwładności dociska bagaż do ściany, czyli dodatkowo zabezpiecza go. Oczywiście w przypadku przyspieszania możemy liczyć na mniejsze wartości sił bezwładności.
RCDETmfpzu7hX1
Ćwiczenie 7
Dla zainteresowanych
31
Ćwiczenie 8
Przeprowadź następujące doświadczenie: do głębokiej miski nalej trochę wody i zacznij poruszać miską, formując w powietrzu lub na stole np. elipsę lub okrąg. Podobne doświadczenie możesz przeprowadzić z lekką piłeczką (np. pingpongową) wrzuconą do miski. Objaśnij pokrótce, jak siły bezwładności wpływają na zachowanie piłeczki i, niezależnie, wody w misce. Wymień także oddziaływania, które te ruchy determinują.
Opis zachowania piłeczki w układzie odniesienia miski wymaga uwzględnienia co najmniej siły odśrodkowej. Miska jest bowiem układem nieinercjalnym, poruszającym się ruchem krzywoliniowym. Siła odśrodkowa najczęściej powoduje „wspinanie się” piłeczki po wewnętrznej ścianie miski. Jednak przy dużym promieniu obiegu miski, w niektórych położeniach piłeczki siła odśrodkowa powoduje jej staczanie się albo wręcz odrywanie się od powierzchni miski.
Na ruch piłeczki wpływ mają także siła grawitacji, siła reakcji ścianki miski oraz siła tarcia piłeczki o miskę. Gdyby miska spoczywała, opis ruchu piłeczki miałby stopień skomplikowania zbliżony do opisu ruchu monety w lejku grawitacyjnym, naszkicowanego w e‑materiale Jak zademonstrować zasadę zachowania momentu pędu?
Opis zachowania wody w tej sytuacji jest znacznie trudniejszy i na pewno nie wyczerpiemy tematu, powołując się jedynie na siły bezwładności i siły zewnętrzne: grawitacji, reakcji ścianek i tarcia. Co wiemy na pewno? Łatwo stwierdzić, że układ odniesienia miski jest układem nieinercjalnym - poruszasz nią z przyspieszeniem. (Przy czym nie musi to być wcale ruch obrotowy - mógłby być postępowy, np. drgający.) Siła odśrodkowa, analogicznie jak w przypadku piłeczki, może powodować zarówno wznoszenie się wody po wewnętrznej powierzchni miski, jak i spływanie lub odrywanie warstw wody od tej powierzchni.
W opisanej w treści zadania sytuacji woda w misce zaczyna wędrować po jej ściankach. Ograniczona szybkość rozlewania się po blasze i tarcie wewnętrzne w wodzie generują na jej powierzchni fale. Ich zachowanie nie przypomina jednak zachowania fal na wodzie w spoczywającej misce - jej przyspieszenie jest niezerowe. Co więcej - na podstawie zdjęcia takiego układu dałoby się stwierdzić, w którą stronę obracamy miską - fale na płytkiej wodzie rzadko kiedy bywają symetryczne, co możesz zaobserwować w postaci „bałwanów” (załamywania się fal) na płyciznach, np. przy brzegu morza.
Opis ruchu piłeczki pingpongowej byłby możliwy w przybliżeniu punktu materialnego. Dokładniejsza jego wersja polega na zastosowania modelu bryły sztywnej, w ramach którego uwzględnia się ruch obrotowy. Podstawowe informacje o tym opisie znajdziesz w e‑materiale Jaka jest różnica pomiędzy punktem materialnym a bryłą sztywną? Nie jest on jednak wystarczający do opisu zachowania się ośrodków ciągłych, np. wody w misce.
Mechanika ośrodków ciągłych (hydrodynamika) jest bardzo wymagającą dyscypliną, a dotyczy - w większości sytuacji - cieczy w zbiornikach o ustalonym profilu dna. Natomiast tu mamy ciecz i zbiornik, który wykonuje zadany ruch. (Przez „zadany” rozumiemy uproszczenie, polegające na tym, że nie uwzględniamy wpływu ruchu wody na to, jak poruszamy miską. W doświadczeniu zawsze jesteśmy w stanie ten wpływ minimalizować, biorąc np. odpowiednio ciężką miskę, odpowiednio mało wody i angażując odpowiednio silną osobę do zaszczytnej roli asystenta.) Natomiast pełny opis zachowania wody musiałby uwzględnić fakt, że dno jest ruchome, generują się fale na płytkiej wodzie (istotnie trudniejsze do opisania niż fale na głębokiej wodzie), rozmiary miski są zaledwie kilkukrotnie większe od typowej długości fali, oraz że maksymalne przyspieszenia wody względem miski są porównywalne z przyspieszeniami miski względem Ziemi. Może to być - wbrew pozorom - znacznie trudniejszy do opisania układ niż np. fala tsunami generowana przez ruchy płyt tektonicznych na dnie oceanu.
Podsumowując: ruchu wody w poruszanej misce na pewno nie można tłumaczyć wyłącznie siłami bezwładności, redukując je do siły odśrodkowej. Miska nie jest wirówką, w której - po odpowiednio długim czasie - na powierzchni wody tworzy się „lejek” o ustalonym kształcie, a osad skupia się w pobliżu ścianek.
Opisywane zjawisko wykorzystać można np. próbując wypłukiwać złoto z osadów rzecznych. Woda wędrująca po ściankach i dnie porywa z osadu składniki o mniejszej gęstości - np. muł czy piasek. Te o większej gęstości - czyli przy zadanej wielkości mające większą masę - przy umiejętnym poruszaniu miską pozostają praktycznie nieruchome. Zachowanie to nie ma żadnego bezpośredniego związku z siłami bezwładności, ponieważ wynika ono z ruchu wody, a nie z przyspieszenia układu odniesienia. Przyczyną pozostawania „gęstszych” składników osadu rzecznego na dnie miski jest fakt, że poruszającej się fali wody trudniej jest je ze sobą porwać, czyli wprawić w ruch. (A czy przy dnie znajdzie się złoto - i tak zależy od trafnego doboru rzeki i nie wpływa na naukowy opis zjawiska.)