ËÀ   ««ÊÊ ÂÀ Å »Ò Å » ØÊØ Î ÊËÎÀ ÂÍÀÒ Í Ôèçèêà 911 Ïóáëèêóåìàÿ íèæå çàìåòêà «Óäèâèòåëüíàÿ áóòûëêà» ïðåäíàçíà÷åíà äåâÿòèêëàññíèêàì, çàìåòêà «Êàê â çåìëþ êàçàí çàêîïàëè» äåñÿòèêëàññíèêàì è «Èçîòîïíûå èñòî÷íèêè ýíåðãèè» îäèííàäöàòèêëàññíèêàì. aO êèõ ÿâëåíèé ñâÿçàíî ñ îáûêíîâåííîé ñòåêëÿííîé áóòûëêîé è ñîäåðæàùåéñÿ â íåé æèäêîñòüþ. Íàïðèìåð, ìîæíî ñïðîñèòü ñåáÿ èëè äðóçåé: êàê áûñòðåå íàïîëíèòü èëè îïîðîæíèòü áóòûëêó; êàê èíòåðåñíåå åå óòîïèòü èëè èçâëå÷ü èç íåå ïëîòíóþ ïðîáêó? Ñåé÷àñ ìû ðàññìîòðèì íåñêîëüêî íåîáû÷íóþ ïðîáëåìó: êàê ðàçáèòü òàêóþ áóòûëêó ñ æèäêîñòüþ ãîëûìè ðóêàìè (íå èñïîëüçóÿ êàêèõ-ëèáî äðóãèõ ôèçè÷åñêèõ òåë), ïðè ýòîì, åñòåñòâåííî, íå ïîðàíèâ ðóêè? Âîîáðàçèì òàêîé ýêñïåðèìåíò. Âîçüìåì äëÿ êîíêðåòíîñòè îáû÷íóþ ïîëëèòðîâóþ áóòûëêó, èìåþùóþ ôîðìó äâóõ öèëèíäðîâ îñíîâíîé ÷àñòè è ãîðëûøêà. Ìàññà ïóñòîé áóòûëêè ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíà má = 0,5 êã. Íàëüåì â íåå âîäû ñòîëüêî, ÷òîáû ïî÷òè ïîëíîñòüþ çàïîëíèòü îñíîâíóþ öèëèíäðè÷åñêóþ ÷àñòü. Ïðè ýòîì ìàññà âîäû áóäåò òàêîé æå, êàê è áóòûëêè: mâ = 0,5 êã. Îäíîé ðóêîé âîçüìåì áóòûëêó çà ãîðëûøêî è ïîìåñòèì åå íàä ïóñòûì îòêðûòûì âåäðîì. Çàòåì, ðàçìàõíóâøèñü, ðåçêî óäàðèì ïî ãîðëûøêó ìÿãêîé ïîäóøêîé ëàäîíè Äíî áóòûëêè è åå íèæíÿÿ ÷àñòü âìåñòå ñ âîäîé îêàæóòñÿ â âåäðå, à âåðõíÿÿ ÷àñòü áóòûëêè ñ îõâàòûâàåìûì ãîðëûøêîì â ñóõîé ðóêå. Âåñüìà ýôôåêòíîå çðåëèùå! Òåïåðü ïîïðîáóåì âñå ýòî îñìûñëèòü è ñäåëàòü êîëè÷åñòâåííûå îöåíêè. Ãëàâíûì ðåçóëüòàòîì îïûòà ÿâëÿåòñÿ ðàçáèòîå ñòåêëî, èìåþùåå äîâîëüíî áîëüøóþ òîëùèíó (ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ìèëëèìåòðîâ). ×òîáû ðàçáèòü òàêîå ñòåêëî, íóæíî ñîçäàòü äîâîëüíî áîëüøèå ñèëû. Îòêóäà îíè áåðóòñÿ? Ïðåäñòàâèì ñåáå ïèñüìåííûé ñòîë, ïîêðûòûé òîëñòûì ïðîçðà÷íûì ñòåêëîì. Ïóñòü íà ñòåêëå ëåæèò ñòàëüíîé 7* t1 t g vO á vmax Å.ÐÎÌÈØÅÂÑÊÈÉ ÍÎÃÎ ÇÀÃÀÄÎ×ÍÛÕ ÔÈÇÈ×ÅÑ- τ << t1 a Óäèâèòåëüíàÿ áóòûëêà Ì 27 t y óïðóãèé øàðèê ìàññîé 100 ã. Íà øàðèê äåéñòâóþò äâå ñèëû: ñèëà ïðèòÿ→ æåíèÿ m g , ïðèëîæåííàÿ â öåíòðå øàðèêà, è ñèëà ðåàêöèè ïîâåðõíîñòè → ñòîëà Fp , ðàâíàÿ ñèëå ïðèòÿæåíèÿ ïî âåëè÷èíå, íî ïðîòèâîïîëîæíî íàïðàâëåííàÿ è ïðèëîæåííàÿ â ìåñòå êàñàíèÿ ïîâåðõíîñòåé øàðèêà è ñòîëà. Íåïîñðåäñòâåííî ê ïîâåðõíîñòè ñòåêëà â òîì æå ìåñòå êàñàíèÿ ïðèëîæåíà ñèëà äàâ→ ëåíèÿ Fä ñî ñòîðîíû øàðèêà, ðàâíàÿ (ñîãëàñíî òðåòüåìó çàêîíó Íüþòîíà) ïî âåëè÷èíå ñèëå ðåàêöèè, íî ïðîòèâîïîëîæíàÿ åé ïî íàïðàâëåíèþ. Òàêèì îáðàçîì, â ìåñòå êàñàíèÿ íà ñòåêëî äåéñòâóåò ñèëà äàâëåíèÿ 2 Fä = Fp = mg = 0,1 êã ⋅ 10 ì ñ = 1 Í . Ýòîé ñèëû ÿâíî íåäîñòàòî÷íî, ÷òîáû ðàçðóøèòü ñòåêëî íà ñòîëå. Îäíàêî, åñëè øàðèê ïîäíÿòü íàä ïîâåðõíîñòüþ ñòîëà ñàíòèìåòðîâ íà äâàäöàòü è îòïóñòèòü, òî îí, óäàðèâøèñü, íåñîìíåííî ðàçîáüåò ñòåêëî. Ðàññìîòðèì ïðîöåññ ïîäðîáíåå. Íàïðàâèì îñü Y ââåðõ íàä ïîâåðõíîñòüþ ñòåêëà è èçîáðàçèì ãðàôè÷åñêè çàâèñèìîñòè óñêîðåíèÿ, ñêîðîñòè è âûñîòû øàðèêà îò âðåìåíè (ðèñ.1). Îñîáåííî âûäåëèì îòðåçîê âðåìåíè óäàðà τ , â òå÷åíèå êîòîðîãî øàðèê âçàèìîäåéñòâóåò ñî ñòåêëîì. Êàê èçâåñòíî, ïðè ñâîáîäíîì ïàäåíèè óñêîðåíèå øàðèêà a y = g, ñêîðîñòü vy = gt è 2 âûñîòà ó = h0 gt 2 . Äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñëó÷àÿ h0 = 20 ñì, âðåìÿ ïàäåíèÿ t1 = 2h0 g = 0,2 ñ, ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü vmax = gt1 = 2 gh0 = = 2 ì/ñ. Îöåíèì âðåìÿ τ ñîóäàðåíèÿ øàðèêà ñ ïîâåðõíîñòüþ ñòåêëà. Ðàçðóøåíèå ñòåêëà íàñòóïàåò ïðè íåêîòîðîé âåëè÷èíå äåôîðìàöèè åãî ïîâåðõíîñòè â h0 â t Ðèñ. 1 ìåñòå êîíòàêòà. Íà îñíîâàíèè îïûòíûõ äàííûõ ìîæíî ïðèíÿòü â êà÷åñòâå òàêîé âåëè÷èíû δ = 0,1 ìì = 10 −4 ì. Çíà÷åíèå ñêîðîñòè çà âðåìÿ óäàðà èçìåíÿåòñÿ îò vmax äî íóëÿ, îòêóäà âðå−4 ìÿ óäàðà τ = δ vmax 2 = 10 ñ (çäåñü ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ñêîðîñòü ëèíåéíî ïàäàåò ñî âðåìåíåì). Ìû ïîëó÷èëè, ÷òî τ ïðèáëèçèòåëüíî â òûñÿ÷ó ðàç ìåíüøå âðåìåíè ïàäåíèÿ t1 . Ëåãêî ïîíÿòü, ÷òî äâà çàøòðèõîâàííûõ ïðÿìîóãîëüíèêà íà ðèñóíêå 1,à èìåþò îäíó è òó æå ïëîùàäü, ðàâíóþ ? vmax = gt1 = D 2gh0 . Èçìåíåíèå ñêîðîñòè â òå÷åíèå âðåìåíè τ (ìû èìååì â âèäó àáñîëþòíî íåóïðóãèé óäàð, ïîòîìó ÷òî ñòåêëî ðàçðóøèòñÿ åùå ïðè åãî ñæàòèè) òîæå ðàâíî vmax , à çíà÷èò, ñâÿçàííîå ñ ýòèì ñðåäíåå óñêîðåíèå (çàìåäëåíèå) a = 3 = vmax τ = 10 g îêàæåòñÿ ïðèáëèçèòåëüíî â òûñÿ÷ó ðàç áîëüøå g âîò ýòî «ïåðåãðóçêà»! Òàêèì îáðàçîì, íà ãðàôèêå óñêîðåíèÿ âûñîòà ïîëîæèòåëüíîãî ïèêà, îòâå÷àþùåãî âåëè÷èíå a , áóäåò â òûñÿ÷ó ðàç âûøå g. Òåïåðü îöåíèì ñèëó óäàðà øàðèêà ïî ñòåêëó. Îíà òîæå áóäåò â òûñÿ÷ó ðàç áîëüøå ñèëû òÿæåñòè: mgt1 3 ≈ 10 H . Fóä = ma = τ Ýòî óæå âïîëíå îùóòèìàÿ âåëè÷èíà.