William Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny

Pytania

6.1 Rozwiązywanie zadań związanych z zasadami dynamiki Newtona

1.

Aby zasymulować pozorną nieważkość występującą na orbicie, astronauci przechodzą treningi w specjalnych samolotach towarowych nurkujących z przyspieszeniem $g$ . Dlaczego w tym przyspieszającym układzie odniesienia wydają się oni być nieważcy? Jakie jest wskazanie wagi łazienkowej w takich warunkach? Czy istnieje jakakolwiek różnica między pozorną nieważkością na orbicie a tą odczuwaną przez kosmonautów w samolocie treningowym?

6.2 Tarcie

2.

Między klejem a substancją, która jest klejona taśmą klejącą działają siły. Czy siły te mogą być rodzajem tarcia? Wyjaśnij, biorąc pod uwagę, że taśma może trzymać się ścian pionowych, a nawet sufitów.

3.

Kiedy jedziesz samochodem, zauważasz, że musisz naciskać lekko na pedał hamulca, gdy chcesz zatrzymać auto, albo auto będzie szarpać w trakcie hamowania. Wyjaśnij to pod względem relacji między tarciem statycznym a kinetycznym.

4.

Kiedy piszesz, naciskając kawałkiem kredy na tablicę, ta czasami piszczy, ponieważ następuje szybka zmiana pomiędzy poślizgiem a przywarciem kredy do tablicy. Opisz ten proces bardziej szczegółowo, przede wszystkim wyjaśniając, jak to jest związane z faktem, że tarcie kinetyczne jest mniejsze od statycznego tarcia. (Ten sam proces ślizgania-przyczepiania odbywa się, gdy opony piszczą na chodniku.)

5.

Fizyk gotuje śniadanie i zauważa, że siła tarcia między łopatką i patelnią pokrytą teflonem wynosi zaledwie 0,200 N. Znając współczynnik tarcia kinetycznego pomiędzy tymi dwoma materiałami (z tabeli), fizyk szybko oblicza wartość siły normalnej. Ile ona wynosi?

6.3 Siła dośrodkowa

6.

Jeśli chcesz zmniejszyć naprężenia (związane z siłą dośrodkową) w oponach używanych do jazdy z dużą prędkością, użyjesz opon o dużej czy małej średnicy? Wyjaśnij swoją decyzję.

7.

Zdefiniuj siłę dośrodkową. Czy dowolny typ siły (na przykład napięcie, siła grawitacji, tarcie itd.) może być siłą dośrodkową? Czy dowolna kombinacja tych sił może stanowić siłę dośrodkową?

8.

Jeśli siła dośrodkowa skierowana jest „do środka”, to dlaczego czujesz „wyrzucanie” na zewnątrz, gdy samochód pokonuje zakręt? Wyjaśnij.

9.

Kierowcy wyścigowi zazwyczaj „ścinają” zakręt, jak to zostało przedstawione poniżej (tor 2). Wyjaśnij, dlaczego pozwala to pokonywać zakręt z większą prędkością?

Pokazane są dwa tory poruszania się samochodów wyścigowych na 90. stopniowym zakręcie. Widoczne są dwa samochody, czerwony i niebieski i ich tory ruchu. Niebieski robi ciasny zakręt na swojej drodze, czerwony go wyprzedza ścinając zakręt i wychodzi przed niebieski pozostawiając go w tyle.

10.

Wiele parków rozrywki ma kolejki górskie, których tory tworzą pionowe pętle, jak pokazano poniżej. Ze względów bezpieczeństwa wagoniki są mocowane do szyn w taki sposób, aby nie mogły spaść. Jeśli samochód wjedzie na szczyt z odpowiednią prędkością $v_{0}$ , to sama grawitacja dostarczy siłę dośrodkową. Jaka inna siła działa i jaki jest jej kierunek, jeśli:

(a) wagonik pokonuje najwyższy punkt toru szybciej niż $v_{0}$ ?

(b) wagonik pokonuje najwyższy punkt toru wolniej niż $v_{0}$ ?

Zdjęcie kolejki górskiej z pionową pętlą. Pętla ma szerszą krzywiznę na górze niż na dole toru, tworząc kształt odwróconej łzy.

11.

Co powoduje, że woda jest usuwana z ubrań podczas wirowania?

12.

Narciarz zakreśla okrąg. Jaka siła odpowiada za zakrzywienie toru jego ruchu? Wykorzystaj diagram sił, aby uzasadnić odpowiedź.

13.

Wyobraźmy sobie dziecko jeżdżące na karuzeli, siedzące na koniku w połowie odległości między środkiem karuzeli a jej brzegiem. Trzyma ono pojemnik śniadaniowy na woskowanym papierze, więc tarcie między papierem z pojemnikiem i karuzelą jest znikome. Po jakiej krzywej będzie poruszać się pojemnik, jeśli dziecko go upuści? Jeśli poruszający się pojemnik pozostawia ślad na kurzu leżącym na karuzeli, to która krzywa reprezentuje ten ślad: prosta, zakrzywiona w prawo czy zakrzywiona w lewo? Odpowiedź uzasadnij.

Ilustracja okrągłej podstawy karuzeli z jednym koniem i dzieckiem na nim. Kierunek prędkości kątowej, omega, jest zgodny z ruchem wskazówek zegara i zaznaczony strzałką. Punkt P jest pokazany w pobliżu konia, na okręgu współśrodkowym z karuzelą. Trzy strzałki wychodzące z punktu P przedstawiają trzy możliwe ścieżki ruchu pojemnika śniadaniowego. Ścieżka A jest skręcona w lewo w stronę środka okręgu. Ścieżka B jest prosta, styczna do okręgu. Ścieżka C jest zakrzywiona w prawo na zewnątrze okręgu.

14.

Czy czujesz, że jakaś siła „wyrzuca” cię na zewnątrz, kiedy pokonujesz zakręt, który jest idealnie wyważony dla twojego samochodu przy zadanej prędkości? Jaki jest kierunek siły, jaką fotel samochodowy wywiera na ciebie?

15.

Załóżmy, że ciężarek porusza się po torze kołowym na gładkim stole, jak pokazano na rysunku. W układzie odniesienia związanym z Ziemią nie ma siły odśrodkowej wyrzucającej masę z dala od środka obrotu, ale jest siła rozciągająca strunę, za pomocą której masa jest przymocowana do gwoździa. Używając pojęć związanych z siłą dośrodkową i trzecią zasadą dynamiki Newtona, wyjaśnij, jaka siła napina strunę, identyfikując jej fizyczne pochodzenie.

Rysunek przedstawia ciało poruszające się po torze kołowym na stole. Ciało jest zamocowane do struny, której drugi koniec jest przyczepiony do stołu w środku okręgu.

16.

Kiedy spłukujesz wodę w toalecie lub przepłukujesz zlewozmywak, woda (i inne materiały) obracają się wokół wewnątrz rury spustowej, przemieszczając się w dół. Zakładając brak początkowego ruchu obrotowego i przepływ początkowo po linii prostej w stronę rury, wyjaśnij, co powoduje obrót i jaki ma on kierunek na półkuli północnej. (Należy zwrócić uwagę, że jest to niewielki efekt, a w większości toalet obrót jest spowodowany przez kierunkowe dysze wodne.) Czy kierunek obrotów byłby odwrócony, gdyby woda została skierowana w górę rury spustowej?

17.

Samochód pokonuje zakręt na oblodzonym fragmencie drogi o bardzo małym współczynniku tarcia kinetycznego. Samochód zjeżdża z drogi. Opisz tor ruchu samochodu, gdy opuszcza drogę.

18.

Podczas korzystania z jednej z atrakcji w parku rozrywki śmiałkowie wchodzą do dużej pionowej beczki i stoją pod ścianą na poziomej podłodze. Beczka jest wprawiana w ruch obrotowy, a podłoga opada. Ludzie czują się tak, jakby przypięto ich do ściany. Nie opadają w pionie, mimo że podłoga uciekła im spod nóg. Jest to siła bezwładności wyczuwana i używana przez śmiałków do wyjaśnienia zjawiska w obracającym się układzie odniesienia związanym z beczką. Wyjaśnij w inercjalnym układzie odniesienia (Ziemia jest prawie takim układem), co przytrzymuje ludzi przy ścianie i zidentyfikuj wszystkie działające siły.

19.

Dwaj przyjaciele toczą dyskusję. Anna mówi, że satelita na orbicie wykonuje spadek swobodny, ponieważ ciągle zbliża się do Ziemi. Tomek mówi, że satelita na orbicie nie wykonuje swobodnego spadku, ponieważ przyspieszenie grawitacyjne nie wynosi $9, 80 m / s^{2}$ . Z kim się zgadzasz i dlaczego?

20.

Nieinercjalny układ odniesienia umieszczony w centrum Słońca jest prawie idealnym układem inercjalnym. Dlaczego prawie? Dlaczego nie jest to po prostu układ inercjalny?

6.4 Siła oporu i prędkość graniczna

21.

Pływacy i rowerzyści startujący w zawodach ubierają się w specjalne kombinezony. Wymień zalety i wady takich kombinezonów.

22.

Do opisu siły oporu działającej na obiekt poruszający się w płynie używaliśmy dwóch wyrażeń. W jednym siła oporu była wprost proporcjonalna do prędkości, a w drugim do kwadratu prędkości. Dla jakich rodzajów ruchu poszczególne wyrażenia znajdują zastosowanie?

23.

Podczas ruchu samochodu olej i benzyna wyciekają na powierzchnię drogi. Jaki wpływ na możliwość kontrolowania ruchu samochodu będzie miał wyciek, a jaki padający delikatnie deszcz? Czy intensywny opad deszczu będzie stanowił jakąś różnicę?

24.

Dlaczego wiewiórka jest w stanie zeskoczyć na ziemię z wysokiej gałęzi, nie robiąc sobie krzywdy, podczas gdy człowiek wykonując ten sam skok najparwdopodobniej złamie sobie którąś z kości?