ШКАТУЛКА КАЧЕСТВЕННЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ: ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИКИ
равновесие тел, момент силы, простые механизмы…

Дидактические материалы по физике для учащихся, а также их родителей ;-) и, конечно же, для творческих педагогов. Для тех, кто любит учиться!
Вашему вниманию 75 качественных задач по физике на тему: «Элементы статики: равновесие тел, момент силы, простые механизмы».
Сопроводим задачи познавательными примечаниями и комментариями – для любознательных к некоторым задачам дадим развёрнутые ответы ;-) По традиции зелёных страничек побалуем себя шедеврами мировой живописи…
А ещё ;-) познакомимся с некоторыми тайнами наклонной Невьянской башни – архитектурной жемчужиной Урала, окутанной легендами под самый флаг-флюгер с гербом Демидовых…

Задача №1
Перед вами три картины – три колодца. Какие простые механизмы положены в основу работы этих немудрённых, но весьма эффективных устройств, позволяющих облегчить подъём воды из колодца? Сопроводите ваш ответ схематическими рисунками.

журавль Лейб-гусары у водопоя Микешин Михаил Осипович 1853 год		ворот Зимним утром A Winter's Morn Джордж Харди		блок У колодца At the Well Даниэль Риджуэй Найт 1880 год

Микешин Михаил Осипович (21.02.1835–31.01.1896) – русский живописец.
Джордж Харди (George Hardy; 1822–1909) – английский жанровый живописец.
Даниэль Риджуэй Найт (Daniel Ridgway Knight; 15.03.1839–09.03.1924) – американский жанровый живописец.

Задача №2
«Ямская слобода», 1927 год. Андрей Платонович Платонов
«…Посреди слободы стоял двухэтажный старый дом. Около него колодезь, а у колодца круглый сарай – темница для лошади. В той темнице целый день лошадь кружилась на узком месте, таская деревянное водило. На водиле закручивались и раскручивались верёвки, которые таскали бадьями воду из колодца. Вода сливалась в большой чан, а из чана напускалась в корыта. Из корыта крестьяне, приезжавшие в слободу на базар, поили лошадей по копейке с головы, а люди пили бесплатно…»
О каких простых механизмах, использовавшихся для подъёма воды из колодца, идёт речь в этом отрывке?

Задача №3
Какого вида механические движения происходят с различными частями ворота во время пользования им?

Ответ: Вращательное (колесо, вал) и поступательное (верёвка, поднимаемый груз – ведро с водой).

Задача №4
Пожарные и альпинисты иногда применяют неподвижный простой блок для того чтобы поднимать самих себя по верёвке или тросу. Получается ли при этом выигрыш в силе по отношению к весу поднимаемого груза?

Ответ: Получается выигрыш в силе в два раза.

Не ожидала, что задача №4 «про пожарников и альпинистов» вызовет такие горячие споры. Часть комментариев скрыта (не удалена!) в виду излишней агрессии и сумбурности. При этом, видимо, стоит разобрать решение этой простой задачи более подробно.
Пользуясь случаем, решила добавить на страничку репродукцию картины Ростислава Вовкушевского «Альпинисты». Для кого-то просто картина, а для кого-то замечательные воспоминания о молодости…

Альпинисты Вовкушевский Ростислав Иванович, 1949 год

Вовкушевский Ростислав Иванович (22.03.1917–14.08.2000) – советский российский живописец, педагог, член Санкт-Петербургского Союза художников.

Итак, неподвижный блок не даёт выигрыша в силе, если, например, один человек вытаскивает другого человека из колодца или пещеры. Но, в случае, когда человек поднимает сам себя, то он прикладывает силу в два раза меньше своего веса. Так как при этом вес человека распределяется поровну на две части троса или верёвки (по разные стороны блока).
F = P/2 = mg/2
Получается выигрыш в силе в два раза.
При этом следует учесть, что «золотое правило» механики никто не отменял ;-) Сформулировано оно было ещё в древности следующим образом: «то, что мы выигрываем в силе, мы проигрываем в пути». Положение это имеет столь общее и вместе с тем столь важное значение, что оно получило название «золотого правила» механики.
Получается, что двойной выигрыш в силе достигнут нами ценой двойного проигрыша в пути. Иными словами, для подъёма самого себя с помощью неподвижного блока, скажем на высоту 15 метров, человек должен, перебирая трос руками, вытянуть его на 30 метров.
Таким образом, работу, альпинист, поднимающий сам себя, совершит такую же, как и человек, стоящий на земле и поднимающий альпиниста на ту же высоту.
A = F × 2h = mg/2 × 2h = mgh
       Подведём итоги:
       Получили выигрыш в силе в два раза ;-)
       Получили двойной проигрыш в пути.
       В работе никакого выигрыша не получили :-(
Про работу в условии задачи №4 «про пожарников и альпинистов» речь не идёт, но для полноты картины пусть будет… Видимо те, кто вас взбаламутил, не улавливают разницы между силой и работой…

Задача №5
Если на доске, перекинутой через бревно, качаются двое ребят различного веса, то следует ли им садиться на одинаковом расстоянии от опоры?

Качели See Saw Фредерик Морган, 1898 год

Фредерик Морган (Frederick Morgan; 1856–1927) – английский жанровый живописец.

Задача №6
Почему отвёртка делается с утолщённой ручкой?

Ответ: Большой диаметр ручки увеличивает плечо прилагаемой нами силы, чтобы иметь возможность уменьшить эту силу. По этой же причине ключ от двери всегда делается с широкой частью в месте удержания рукой, как и штопор. Штопор, благодаря своему спиральному механизму, выполняет ещё одно преобразование: вращение ручки, при котором мы прикладываем небольшую силу и выполняем большое перемещение, преобразуется в небольшое перемещение острия штопора в глубину пробки, что без этого вращения требовало бы большой силы. Тот же принцип, что и в рычаге, используется и в плоскогубцах…

Проказники Mischief Йохан Август Мальмстрем 1869 год

Задача №7
Почему серединой ножниц легче резать плотный картон, чем концами их?

Ответ: Это даёт возможность уменьшить силу, прилагаемую к рукояткам ножниц.

Задача №8
Канцелярские ножницы имеют очень длинные лезвия. Выгодно ли это?

Ответ: Проигрыш в силе здесь не существен, а выигрыш в скорости имеет большое значение.

Йохан Август Мальмстрем (Johan August Malmström; 14.10.1829–18.10.1901) – шведский жанровый живописец.

Задача №9
Почему при резке изделие иногда выталкивается из ножниц?

Ответ: Равнодействующая сил, действующих на разрезаемый предмет со стороны лезвия ножниц, не равна нулю и направлена от оси ножниц. Если она больше силы трения, то изделие выталкивается.

Для любознательных: Ножницы известны с III века до нашей эры – найдены при раскопках памятников культуры кельтских племён. Они представляли собой два ножа, соединённых дугообразной пружинящей металлической пластиной. Подобные ножницы и в наши дни употребляют для стрижки овец. Ножницы современного типа (из двух шарнирно-соединённых ножей) появились около VIII века нашей эры на Ближнем Востоке. На Руси древнейшие шарнирные ножницы найдены в Гнёздовских курганах – археологическом заповеднике в Смоленской области России (поселение Гнёздово скорее всего было основано в начале X века).

Задача №10
В каком месте двери помещают ручку, чтобы легче открывать дверь?

Ответ: Ручку располагают у края двери чтобы увеличить плечо силы и этим облегчить открывание двери.

Задача №11
Почему по пологой лестнице легче подниматься, чем по крутой?

Задача №12
Зачем дороги в горных местностях проводят зигзагами?

Путешественники в Оверни Савицкий Константин Аполлонович, 1876 год

Савицкий Константин Аполлонович (06.06.1844–13.02.1905) – русский жанровый живописец, академик, действительный член Императорской Академии художеств, член Товарищества передвижных художественных выставок, педагог.
Оверни – административный регион Франции, расположенный на территории Центрального горного массива. Высочайшая вершина – гора Санси (1886 м). Оверни богат минеральными водами и термальными источниками.

Задача №13
Какие простые механизмы положены в основу работы инструментов и устройств, которые используют рабочие при строительстве дороги, на картине Жозефа Верне?

Строительство дороги La Construction d'un grand chemin Клод Жозеф Верне, 1774 год

Клод Жозеф Верне (Claude Joseph Vernet; 14.08.1714–03.12.1789) – французский живописец.

Задача №14
Почему наличие значительных подъёмов на участке железной дороги вызывает необходимость использования локомотивов с повышенной мощностью?

Задача №15
Почему машинисты избегают остановки поездов на подъёме?

Задача №16
Как легче сдвинуть с места железнодорожный вагон: прилагая силу к корпусу вагона или к верхней части обода колеса?

Ответ: Во втором случае потребуется вдвое меньшая сила, так как мгновенная ось вращения колеса проходит через точку касания его с рельсом.

Задача №17
Почему не опрокидывается вагон однорельсовой подвесной железной дороги?

Ответ: Центр тяжести вагона находится ниже линии подвеса.

Задача №18
Если быстро движущийся автомобиль резко затормозит, то его передок опускается вниз. Почему?

британский спортивный ретро автомобиль MG L2 Magna 1933 года Неразлучная четвёрка The Four Of Us Алан Фернли

Алан Фернли (Alan Fearnley) – британский художник, мастер «автомобильной» живописи.

Задача №19
Почему у автомашин, велосипедов и т.п. тормоза лучше ставить на задние, а не на передние колёса?

Ответ: Чтобы не создавать опрокидывающего машину в вертикальной плоскости и поворачивающего её в горизонтальной плоскости моментов сил, которые могут возникнуть при торможении передних колёс.

Задача №20
Чтобы вытащить увязший автомобиль, используют следующий приём. Длинную прочную верёвку крепко привязывают к дереву или пню близ дороги и к автомобилю так, чтобы верёвка была туго натянута. Затем тянут за середину верёвки под прямым углом в её направлению. На чём основан этот приём?

Ответ: Приём основан на огромном выигрыше в силе на тросе при большом угле между составляющими силами.

Задача №21
Рассмотрите простые механизмы, принципы которых использованы в велосипеде (руль, педаль, передача). В каких из них добиваются выигрыша в силе, а в каких – выигрыша в скорости?

Задача №22
При каком положении педали велосипеда момент действующей на неё силы, направленной вертикально, будет наибольшим? равным нулю?

Ответ: Момент равен нулю в верхней и нижней точках, максимален в горизонтальном положении.

Французская лошадка-трицикл трёхколёсный велосипед, совмещённый с лошадкой-качалкой Жан Моне на лошадке Jean Monet ar ei geffyl pren (портрет сына художника) Оскар Клод Моне, 1872 год

Оскар Клод Моне (Oscar-Claude Monet; 14.11.1840–05.12.1926) – французский живописец-пейзажист, один из основателей импрессионизма.

Задача №23
Человек, чтобы не поскользнуться на обледеневшей горке, сбегает с неё. Почему это целесообразно?

Задача №24
Почему по скользкому льду люди ходят маленькими шажками?

Ответ: На льду сила трения мала, а при больших шагах человек сильно наклоняется. В итоге момент силы тяжести может быть не скомпенсирован моментом силы трения и человек упадёт.

Задача №25
Почему конькобежцы, разгоняясь, размахивают руками?

Ответ: Резкие движения ног конькобежца вызывают появление моментов сил, стремящихся повернуть его корпус вокруг вертикальной оси. Поэтому конькобежец в такт движению ног размахивает руками так, чтобы движением рук создать моменты сил, противодействующих моментам сил, обусловленных движением ног, и компенсирующие их.

Задача №26
Лопата – всем известный садовый инструмент для вскапывания почвы. Принцип работы какого простого механизма используется в этом замечательном инструменте? Почему, с хорошо заточенной садовой лопатой, на работу уходит меньше сил?

Лопата – всем известный садовый инструмент для вскапывания почвы Итальянская полевые рабочие. Абруццо Italienske Markarbejdere. Abruzzerne Педер Северин Кройер, 1880 год

Педер Северин Кройер (Peder Severin Krøyer; 23.07.1851–21.11.1909) – датский живописец.
Абруццо – аграрная область в Италии, расположенная в средней части Апеннинского полуострова на побережье Адриатического моря.

Коромысло вырезное с подвесами Моё лицо – моя удача My face is my fortune Эдвин Томас Робертс

Задача №27
Почему согнутой в локте рукой можно поднять больший груз, чем вытянутой?

Ответ: Уменьшение плеча рычага даёт возможность увеличить вес поднимаемого груза.

Задача №28
Объясните работу руки и стопы человека, применяя правило рычага.

Задача №29
Объясните действие челюсти как рычага, покажите, где находятся точки приложения сил и почему получается выигрыш в силе.

Задача №30
Надо ли широко расставлять ноги при подъёме больших тяжестей, или их надо держать вместе?

Ответ: Надо, так как центр масс человека, широко расставившего ноги, ниже и он более устойчив.

Задача №31
Коромысло – деревянное приспособление, применявшееся для облегчения ношения двух вёдер с водой, бадей, корзин… и других грузов. Какова целесообразность использования этого приспособления?

Эдвин Томас Робертс (Edwin Thomas Roberts; 1840–1917) – британский живописец.

Овальное гнутое коромысло Неприступная красавица Flirtation at the Well Эжен де Блаас, 1905 год

Эжен де Блаас (Eugenio de Blaas; 24.07.1843–10.02.1932) – итальянский художник, писавший в стиле академического классицизма.

В полях In The Fields Жюльен Дюпре, 1887 год

Задача №32
Груз несут на палке, перекинутой через плечо. Как влияет положение груза (ближе или дальше от плеча) на величину силы, с которой палка действует на плечо, и на ту силу, с которой рука должна удерживать палку в равновесии?

Ответ: Чем ближе груз расположен к плечу, тем меньше сила, с которой рука должна удерживать палку. Поэтому сила давления палки на плечо, равная сумме веса груза и силы воздействия руки, будет меньше.

Задача №33
Почему человек, несущий в одной руке тяжёлый чемодан или сумку, наклоняется в противоположную сторону?

Задача №34
Почему человек, несущий на спине тяжёлый груз, наклоняется вперёд?

Ответ: Чтобы расположить центр тяжести своего тела с грузом на площадь опоры.

Жюльен Дюпре (Julien Dupre; 19.03.1851–15.04.1910) – французский художник, представитель реализма.

Задача №35
Почему нельзя встать со стула, не наклоняя корпус вперёд?

Ответ: Если не наклонить корпус вперёд, то вертикаль, проведённая через центр тяжести человека, не пересечёт площади опоры (ступней ног).

Задача №36
Почему мясо легче резать не просто надавливая на нож, а надавливая и двигая нож взад-вперёд?

Ответ: При движении ножа его «режущим сечением» является не сечение, перпендикулярное режущей кромке, как в том случае, когда мы просто надавливаем на нож, а сечение, составляющее с линией острия некоторый угол, тем меньший, чем больше скорость ножа.

Задача №37
Для чего сабле придают изогнутую форму, выпуклую со стороны лезвия?

Ответ: Свойства стали (прочность) не позволяют затачивать её под углом, меньшим предельного для данного режущего инструмента. Иначе сталь будет крошиться. Вследствие изогнутой формы сабли при заданном угле клина удаётся уменьшить режущий угол за счёт увеличения щеки клина.

Изогнутая форма сабли, выпуклая со стороны лезвия Схватка за турецкий флаг Fight for a Turkish Standard Юзеф Брандт, около 1905 года

Юзеф Брандт (Jozef Brandt; 11.02.1841–12.06.1915, Радом) – польский художник-реалист.

Задача №38
Почему для распиливания твёрдого металла используют ножовки с мелкими зубьями, а при распиливании мягкого – с большими зубьями?

Задача №39
Длинный стержень легче удерживать в горизонтальном положении за середину, чем за конец. Почему?

Ответ: Если держать стержень посередине, то не нужно прикладывать момента сил для удержания стержня в равновесии. Если держать за один из концов, то нужно прикладывать момент сил.

Задача №40
Когда палку держат в руках за концы, то её трудно переломить. Если же середину палки положить на подставку, то переломить палку легче. Объясните, почему.

Задача №41
Сломайте тонкую щепку пополам, полученные кусочки снова сломайте на две части и т.д. Почему с каждым разом ломать становится труднее?

Ответ: Уменьшаются плечи сил, приложенных к щепке.

Задача №42
Объясните принцип работы катапульты. Работа какого простого механизма играет в нём ключевую роль? Где в настоящее время применяются катапульты?

Катапульта – метательная машина Катапульты Эдвард Джон Пойнтер, 1868–72 год

Эдвард Джон Пойнтер (Edward John Poynter; 1836–1919) – английский живописец.
Катапульта – греческий термин, которым обозначается любая метательная машина.

Для любознательных: Принцип действия катапульты. В отличие от лука, где кинетическая энергия обеспечивается упругостью согнутых плеч лука, в катапультах и баллистах энергия запасается в скрученных пучках (жгутах) малоэластичных волокон. Рычаг, вставленный одним концом в закрученный жгут, стремится раскрутиться, разгоняя другой конец рычага до большой скорости. Таким образом каждое плечо катапульты состоит из горизонтального рычага, вставленного в закрученный с определённым усилием жгут, а также основания или рамы, куда вертикально крепится жгут. Оба плеча катапульты соединены тетивой, оттянуть которую возможно только с помощью лебёдки. Между рычагами установлена направляющая балка для направленного полёта метательного снаряда: камня в баллисте и стрелы в катапульте. В настоящее время катапульты применяются для запуска снарядов и самолётов с авианосцев. Ведутся разработки по созданию катапульт для запуска грузовых космических кораблей с поверхности планет.

Задача №43
В каком случае бочка, вкатываемая по наклонным брусьям, будет производить на них большее давление при одной и той же высоте: когда они более длинные или более короткие?

Ответ: При более длинных брусьях.

Задача №44
Тачка – это немудрённое устройство, состоящее из грузового кузова, колеса и рукояток, и предназначенное для транспортировки грузов. Принцип работы какого простого механизма используется в этом устройстве?

Ответ: Тачка – это разновидность рычага. Сила тяжести груза приложена гораздо ближе к оси колеса тачки (которая в этом случае играет роль оси рычага), чем сила, действующая со стороны рук человека. Поэтому человек может приподнять на тачке такой груз, которого он прямо руками поднять не в состоянии. Сила, действующая со стороны рук человека, должна быть направлена вверх, чтобы создаваемый ею момент относительно оси рычага был противоположен моменту силы тяжести груза.

Тачка – это разновидность рычага Ремонтные работы на железной дороге Савицкий Константин Аполлонович, 1874 год

Савицкий Константин Аполлонович (06.06.1844–13.02.1905) – русский жанровый живописец, академик, действительный член Императорской Академии художеств, член Товарищества передвижных художественных выставок, педагог.

Задача №45
Почему посредством рычажных весов нельзя убедиться в том, что сила тяжести изменяется с переходом от экватора к полюсам?

Ответ: Так как на рычаге уравновешиваются две силы, равные силе тяжести. Изменение одной из них происходит одновременно с изменением другой.

Задача №46
Взрослому и ребёнку нужно перейти ручей: одному – с левого берега, другому – с правого. Имеется по доске на каждом берегу, но доски немного короче, чем расстояние между берегами. Каким образом они могут перейти с одного берега на другой? Сопроводите ваш ответ рисунком.

Задача №47
Имеются две чугунные плиты одинаковой массы. Длина одной плиты вдвое больше, чем длина другой. Обе плиты поднимают за край с поворотом около ребра, образующего ширину плиты и ставят вертикально. Для подъёма какой плиты требуется большая сила?

Ответ: Силу требуется приложить одинаковую, равную половине силы тяжести плиты.

Задача №48
Рычаги, которые используются «наоборот» ;-) Не всегда рычаги используются для того, чтобы совершать работу, прикладывая меньшую силу. Иногда важно выиграть в перемещении, даже если при этом приходится прикладывать большую силу. Так делает рыбак, которому нужно вытащить рыбу, переместить её на большое расстояние. При этом он использует удочку как рычаг. Прокомментируйте вышесказанное, используя схематический рисунок.

Удочка – рычаг, который используется «наоборот» ;-) Дети на рыбалке Прянишников Илларион Михайлович, 1882 год

Прянишников Илларион Михайлович (01.04.1840–24.03.1894) – русский художник и педагог, мастер жанровой живописи, действительный член Петербургской академии художеств, один из основателей товарищества передвижников.

Задача №49
На рычаге уравновешены две гири из одинакового материала, но одна гиря вдвое тяжелее другой. Изменится ли равновесие рычага, если гири погрузить в воду?

Ответ: Не изменится.

Задача №50
На рычаге уравновешены две гири одинакового объёма, но из различных материалов, причём одна гиря вдвое легче другой. Изменится ли равновесие рычага, если гири погрузить в воду?

Ответ: Равновесие нарушится, причём более тяжелая гиря перетянет.

Задача №51
К равноплечному рычагу на нитях подвешены две чугунные гири одинаковой массы. Изменится ли равновесие рычага, если опустить одну из них в воду, а другую в масло?

Ответ: Изменится: гиря, находящаяся в масле, опустится, а в воде – поднимется.

Задача №52
К равноплечному рычагу подвешены фарфоровые шарики. Если один из шариков опущен в стакан с водой, а другой – в стакан с керосином, то рычаг находится в равновесии. Нарушится ли равновесие, если сосуды с жидкостями убрать?

Ответ: Да, перетянет шарик, который находился в воде.

Задача №53
Поясните, что представляют собой коромысловые весы. Что положено в основу работы этих весов?

Ответ: Коромысловые весы представляют собой равноплечий рычаг (коромысло), к обоим концам которого подвешены чаши для гирь и взвешиваемого груза. У равноплечего рычага опора расположена на равном расстоянии от точек приложения сил. В основу действия таких весов положен принцип равновесия.

Коромысловые весы Яблочный рынок в Ландернё, Бретань Леон Августин Лермитт

Леон Августин Лермитт (Leon Augustin Lhermitte; 31.07.1844–28.07.1925) – французский жанровый живописец, гравёр.

Предлагаю читателям зелёных страничек отправиться в волшебное царство яблок ;-)
§ зелёная страничка Курская антоновка – символ Курской области
§ зелёная страничка Алма-атинский апорт – символ города Алма-Аты

Задача №54
К коромыслу весов с одной стороны подвесили латунную, а с другой – равной массы чугунную гирю. Останутся ли весы в равновесии, если их опустить так, чтобы обе гири оказались в воде?

Ответ: Перетянет латунная гиря.

Задача №55
Как, не пользуясь весами, определить массу линейки при помощи гири известной массы? Сделайте это.

Ответ: Необходимо подвесить гирю к одному концу линейки и поместить линейку на точечную опору так, чтобы она была в равновесии. Из уравнения моментов находим массу линейки.

Задача №56
Как известно, неподвижный блок выигрыша в силе не даёт. Однако при проверке динамометром оказывается, что сила, удерживающая груз на неподвижном блоке, немного меньше силы тяжести груза, а при равномерном подъёме больше её. Чем это объясняется?

Ответ: Действием силы трения.

Задача №57
Для чего во время штормовой погоды к средней части троса, соединяющего буксир и баржу, прикрепляют тяжёлый груз?

Ответ: Чтобы избежать чрезмерного натяжения троса.

Задача №58
Что произойдёт, если сидящие в лодке гребцы, изображённые на картине Василия Сурикова «Степан Разин», начнут двигать вёслами в противоположные стороны?

Ответ: Лодка начнёт поворачиваться.

Степан Разин Суриков Василий Иванович, 1906 год

Суриков Василий Иванович (24.01.1848–19.03.1916) – русский живописец, мастер масштабных исторических полотен.

Задача №59
У теплохода два двигателя. Как будет двигаться теплоход, если будет подана команда: «Правый двигатель – полный вперёд, левый двигатель – полный назад!»? Силы тяги обоих двигателей по модулю одинаковы.

Ответ: Поворачиваться под действием пары сил против часовой стрелки.

Задача №60
Какое устройство изображено на картине Генри Бэкона «Буксировка корабля»? Поясните принцип его работы.

Кабестан – вертикальный ворот – видоизменённый двойной блок Буксировка корабля Hauling a Ship Генри Бэкон, 1891 год

Генри Бэкон (Henry Bacon; 839–1912) – американский художник.

Ответ: На картине Генри Бэкона «Буксировка корабля» изображён кабестан (вертикальный ворот – видоизменённый двойной блок), применявшийся для подтягивания судов у причалов, а также выбирания судовых якорей. Спицы кабестана играют ту же роль, какую играет блок большего диаметра в двойном блоке. Условия равновесия для ворота такие же, как и для двойного блока, но вместо радиусов меньшего и большего блоков, должны быть взяты соответственно радиус барабана и длина спицы, считая от оси до места приложения силы. Так как длину спиц можно сделать во много раз большей, чем радиус барабана, то ворот позволяет уравновешивать силы во много раз большие, чем те, которые приложены к спицам.

Задача №61
Можно ли натянуть верёвку горизонтально так, чтобы она не провисала?

Ответ: Нельзя. Силы тяжести и натяжения верёвки перпендикулярны друг другу и не могут уравновеситься.

Задача №62
Почему туго натянутая бельевая верёвка часто обрывается под тяжестью повешенного на неё платья, в то время как слабо натянутая выдерживает тот же груз?

Задача №63
С какой целью цирковые артисты при хождении по канату держат в руках тяжёлые шесты?

Ответ: Центр тяжести системы человек – шест при равновесии находится примерно у середины шеста над канатом. При движении человека по канату смещением шеста сохраняется это положение центра тяжести системы (шест смещается влево, если человек наклонится вправо).

Танцовщица на канате Семирадский Генрих Ипполитович, Капри, 1898 год

Семирадский Генрих Ипполитович (24.10.1843–23.08.1902) – русский живописец польского происхождения, один из крупнейших представителей позднего академизма. Наиболее известен монументальными полотнами на сюжеты из истории античных Греции и Рима.

Задача №64
Стержень из проволоки подвешен на нити за середину. Останется ли он в равновесии, если один конец его согнуть вдвое?

Ответ: Нет. Со стороны согнутой половины стержня действует вдвое меньший момент силы, так как центр тяжести этой половины переместился вдвое ближе к оси вращения.

Задача №65
На верёвочной петле в горизонтальном положении висит палка. Один конец палки значительно толще другого. Разрежем палку в том месте, где была петля. Одинаков ли вес получившихся частей палки?

Ответ: Толстый конец палки весит больше.

Задача №66
Правильная усечённая пирамида опирается на своё большое основание. Переместится ли центр тяжести относительно пирамиды, если её поставить на меньшее основание?

Ответ: Центр тяжести пирамиды не изменит своего положения относительно самой пирамиды, но переместится относительно плоскости опоры.

Задача №67
Иногда в качестве примеров наклонных тел, стоящих в равновесии на горизонтальной плоскости, приводят «падающие башни». Почему эти примеры нельзя считать подходящими для данного случая?

Ответ: Эти башни составляют одно целое с фундаментами, зарытыми в землю. Поэтому условия их равновесия иные, чем для тел, опирающихся на горизонтальную поверхность.

Для любознательных:
Наклонная Невьянская башня – архитектурная жемчужина Урала.
Построена она была в первой половине XVIII  века по приказу Акинфия Демидова, основателя горнозаводской промышленности на Алтае, сына тульского промышленника Никиты Демидова. По народным преданиям, её изначально планировали такой – Акинфий Демидов приказал слегка наклонить башню в сторону родимой Тулы ;-)
О наклоне башни до сих пор спорят историки, краеведы и архитекторы. Некоторые из них утверждают, что Невьянская наклонная башня является аналогом Пизанской падающей башни (известно, что Демидовы не раз посещали Италию в начале XVIII века и задумали поставить на Урале башню не хуже Пизанской). Местные краеведы обязательно уточняют, что Невьянская башня в отличие от Пизанской сестры не падает, а всего лишь наклонена. Разница, конечно же, есть: нашу спасать не нужно ;-)

Невьянская наклонная башня – архитектурная жемчужина Урала Невьянск Ефремов Алексей Валентинович, 2014 год

Ефремов Алексей Валентинович – современный российский живописец, график. Член Союза художников России.
Невьянск – город, расположенный на восточном склоне Уральского хребта на реке Нейва, в 99 км севернее от Екатеринбурга, в 50 км южнее от Нижнего Тагила.

Угол наклона Невьянской башни, по подсчётам разных специалистов, составляет от метра восьмидесяти до двух метров двадцати сантиметров. В том, что угол наклона не меняется, легко убедиться, внимательно посмотрев на самую верхушку башни – там установлен 25-ти килограммовый флюгер, который постоянно вращается, указывая направление ветра. Если бы башня накренилась хоть чуть-чуть, флюгер, по законам физики, перестал бы вращаться.

Куранты, установленные на Невьянской башне, были куплены Акинфием Демидовым в Англии. На колоколах курантов сохранилась надпись: «Richard Phelpsi Lonpini Fecit 1730», что в переводе с латинского означает: «Ричард Фельпс, в Лондоне сделано, 1730». Невьянские мастера усовершенствовали английское изобретение: на самом большом набатном колоколе есть надпись: «Лета 1732 июня 1 лит сей колокол невьянских дворянина Акинфея Демидова заводах. Весу 65 пуд 27 фунтов». Через несколько лет на Невьянском заводе уже имелись часовые машины, «которые к часам колёса прорезывают и другие детали готовят». В середине XVIII века здесь изготовляют «часы столовые и башенные» не только для демидовских заводов, но и для продажи. Невьянские колокола прославились своим звоном на всю Сибирь…

Акинфий Никитич Демидов Георг Кристоф Гроот до 1745

Но… не выдержали куранты на Невьянской башне испытание временем и долгие годы молчали… Поломались стрелки и часовой механизм, был искорёжен музыкальный вал, колокола покрылись пылью и окислами. На валу остались следы от 2186 шпеньков. Когда-то каждый шпенёк в определённой последовательности цеплялся за рычаги, которые струнами-тягами соединялись с молоточками на колоколах. Но в какой именно последовательности? Сколько мелодий закодировано на валу? Все эти секреты в 1976 году разгадал советский уральский мастер Александр Саканцев – наладчик сварочной аппаратуры, а по призванию часовых дел мастер. Он восстановил часы и музыкальную машину. Удалось расшифровать большую часть мелодий, записанных на музыкальном валу. Это были английские марши, народные песни XVII века, позднее был записана мелодия «Славься» – фрагмент из оперы Михаила Глинки «Иван Сусанин». Именно её в настоящее время играют куранты.
А ещё ;-)
Уральские мастера соорудили на крыше Невьянской башни 40-сантиметровый шар с шипами – первый в мире громоотвод, то есть примерно на четверть века раньше, чем это изобретение продемонстрировал американец Бенджамин Франклин.
Между 4 и 5 этажами в Невьянской башне расположена «слуховая комната». Слово, сказанное шёпотом в одном углу, чётко слышно в другом, противоположном углу. При этом ни в центре комнаты, ни в любой другой точке сказанного совершенно не слышно. Этот замечательный акустический эффект Демидовы использовали для того, чтобы подслушивать своих рабочих и приезжих ревизоров.
И это далеко не всё… Окутана Невьянская башня легендами под самый флаг-флюгер с гербом Демидовых…
Может статься, что именно Вам посчастливится разгадать её тайны, уходящие в глубь веков ;-)

Георг Кристоф Гроот (Georg Christoph Grooth; 21.01.1716–28.09.1749) – художник-портретист, один из двух братьев, немецких живописцев, связавших свою жизнь с Россией. С 1743 придворный художник в Петербурге. Автор изысканных портретов в стиле рококо.

Задача №68
Почему при кладке стен строений добиваются, чтобы они были строго вертикальными?

Задача №69
Один из сидящих в лодке встал во весь рост. Как изменилась при этом устойчивость лодки?

Ответ: Равновесие стало менее устойчивым, так как центр тяжести всей системы переместился вверх.

Ловля саргана неводом. Раннее утро Hornfiskefangst med drivvod. Tidlig morgen Антон Дорф, 1880 год

Антон Дорф (Anton Laurids Johannes Dorph; 15.02.1831-12.01.1914) – датский художник.
Сарган (рыба-стрела) – стайная хищная рыба с узким сильно вытянутым телом.

Не смогла удержаться от соблазна и решила сопроводить картину «Ловля саргана неводом. Раннее утро» дополнительным вопросом ;-)
Серп какого месяца изображён на картине Антона Дорфа – молодого или старого?

§ Подсказку к решению этой задачи можно найти на зелёной страничке «Молодой или старый месяц?» – как запомнить надёжно и безошибочно, куда какой месяц смотрит?

Задача №70
Если попытаться поставить куриное яйцо на горизонтальную поверхность стола, то оно непременно ложится набок. Из какого и в какой вид равновесия переходит при этом яйцо?

Задача №71
Почему подъёмный кран не опрокидывается в сторону поднимаемого груза? Почему без груза кран не опрокидывается в сторону противовеса?

Ответ: Конструкция крана такова, что в любом случае вертикаль, проведённая через центр тяжести, пересечёт площадь опоры.

Район завтрашнего дня Пименов Юрий Иванович, 1957 год

Пименов Юрий Иванович (1903–1977) – советский живописец и график. Народный художник СССР. Лауреат Ленинской и двух Сталинских премий второй степени.

Задача №72
Почему не следует с помощью подъёмного крана поднимать груз при косом положении троса?

Ответ: Сила натяжения троса увеличивается и он может разорваться.

Задача №73
Однородный прямоугольный кирпич лежит на наклонной плоскости. Какая половина кирпича, верхняя или нижняя, оказывает большее давление на наклонную плоскость?

Ответ: Нижняя половина, так как если провести вертикальную плоскость через прямую, лежащую между кирпичом и наклонной плоскостью, через центр кирпича, то она поделит кирпич на две неравные части, причём нижняя половина больше. Площадь опоры обеих частей одинакова.

Задача №74
Изобразите систему сил, действующих на парящий воздушный змей при горизонтальном ветре.

Полёт воздушного змея Flying the kite Лаура Найт, 1910 год

Лаура Найт (Laura Knight; 04.08.1877–07.07.1970) – английская художница, представитель постимпрессионизма в живописи. Кавалер ордена Британской империи.

Коромысловые весы Хороший покупатель A Good Customer Эдвин Томас Робертс

Задача №75
Окунаемся в детство ;-) – разгадываем загадки, но… не просто разгадываем, а подробно комментируем принцип работы каждого инструмента, руководствуясь законами физики.
1. Два кольца, два конца, посередине гвоздик. (Ножницы)
2. Две сестры качались, правды добивались, а когда добились – то остановились. (Весы)
3. Ручка есть, а не грабли, землю роет, а не плуг. (Лопата)
4. Сам худ, голова с пуд, как ударит – крепко станет. (Молоток)
5. Цепкий рот на тех сердит, кто зазря в доске сидит. (Клещи)
6. Скоро ест и мелко жуёт, сама не глотает и другим не даёт. (Пила)
7. Он целый день звенел в бору
Густом, от инея белёсом,
А ночью, подойдя к костру
Заснул, в бревно уткнувшись носом.
(Топор)

Ответ к загадке №7: Рассмотрим, как топор раскалывает древесину. Его лезвие заострённое и расширяется ближе к основанию, чем глубже клин топора вгоняется в древесину, тем шире она раздаётся и в итоге раскалывается. Принцип действия клина тот же, что и для наклонной плоскости. Чтобы раздвинуть части древесины на сантиметр, нужно было бы приложить огромную силу. К клину же достаточно приложить гораздо меньшую силу, правда при этом придётся совершить большее перемещение вглубь древесины.

Я очень рада, что читателям зелёных страничек понравилась моя задачка про три колодца. Большое спасибо за ваши комментарии. Мне очень приятно.
Надеюсь вам понравится ещё одна задачка про колодец, но не простой колодец, а весьма модернизированный ;-) Перед вами картина немецкого художника Феликса Шлезингера «Друг познаётся в беде». На картине изображён ручной деревянный насос для колодца. Вода при поднятии и опускании рычага порциями сливается через патрубок, тот самый, к которому прильнула губами девочка, желающая напиться. А теперь, внимание, вопрос:

Каково устройство ручного насоса для воды?
Поясните последовательность работы этого мудрёного агрегата.
Одними простыми механизмами в данном случае дело не обойдётся ;-) об атмосферном давлении вспомнить придётся :-)
Предложите ребятам изготовить модель ручного насоса для воды. В сопроводительной документации к модели будут весьма уместны чертежи и рисунки с пояснениями. Объявите конкурс на лучшую модель!!!

Невзирая на все прелести технического прогресса, ручные насосы для воды не потеряли своей привлекательности. И по сей день они весьма актуальны на дачных участках и в деревенской глубинке ;-) и не только в русской глубинке, но и немецкой, французской, английской… И по сему будет не лишним, если ребята подготовят развёрнутое сообщение на тему «Разновидности ручных насосов для воды и особенности их работы».

Друг познаётся в беде A Friend in Need Феликс Шлезингер, 1867 год

Феликс Шлезингер (Felix Schlesinger; 1833–1910) – немецкий художник.

§ С творчеством немецкого художника Феликса Шлезингера я познакомилась когда подбирала иллюстративный материал для логической задачки ;-) Рекомендую читателям заглянуть на зелёную страничку «Загадка Эйнштейна, а может быть и Кэрролла на новый лад ;-)

Заключительный живописный бонус ;-)
Ещё один колодезный журавль в исполнении братьев Ткачёвых.
Добрая советская классика и ударная доза позитивных эмоций ;-)

У колодца Братья Ткачёвы, 1954 год

Сергей Петрович Ткачёв (1922…) – советский и российский живописец, педагог, профессор, ветеран Великой Отечественной войны. Председатель Правления Союза художников РСФСР в 1976–1987 гг. Старший брат народного художника СССР, академика Алексея Петровича Ткачёва, вместе с которым они составляют творческий тандем «Братья Ткачёвы».

§ Колодезный журавль в исполнении Ивана Константиновича Айвазовского на зелёной страничке «Сундучок интересностей: снег (физика вокруг нас)»

Литература:
§ Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике
Москва: издательство «Просвещение», 1972
§ Демкович В.П., Демкович Л.П. Сборник задач по физике
Москва: издательство «Просвещение», 1981
§ Золотов В.А. Вопросы и задачи по физике 6-7 класс
Москва: издательство «Просвещение», 1971
§ Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики
Москва: издательство «Просвещение», 1988
§ Перельман Я.И. Знаете ли вы физику?
Домодедово: издательство «ВАП», 1994

ШКАТУЛКИ КАЧЕСТВЕННЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ

§ Физика и География Казахстана
Совместный проект: ОФРО «БЭСТ» и Технический лицей №165 (г. Алма-Ата)

§ Як-3 – самый лёгкий истребитель Второй мировой войны
Специальный тематический выпуск зелёных страничек.
Вашему вниманию пять вопросов и заданий, посвящённых легендарному советскому истребителю Як-3… + тематическая подборка из 10 задачек.
«Только в бодром горячем порыве, в страстной любви к своей родной стране, смелости и энергии родится ПОБЕДА. И не только и не столько в отдельном порыве, сколько в упорной мобилизации всех сил, в том постоянном горении, которое медленно и неуклонно сдвигает горы, открывает неведомые глубины и выводит их на солнечную ясность…» Михаил Васильевич Ломоносов

§ Шкатулка качественных задач по физике «сборная солянка» :-)
Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые, иначе такое бросание будет пустою забавою. Козьма Прутков
Шкатулка состоит из четырёх тематических блоков: 1) Броуновское движение. Диффузия; 2) Атмосферное давление; 3) Свойства жидкости. Архимедова сила; 4) Тепловые явления.

§ Шкатулка качественных задач по физике: Строение вещества, диффузия
Творчество поэта, диалектика философа, искусство исследователя – вот материалы, из которых слагается великий учёный. Климент Аркадьевич Тимирязев

§ Шкатулка качественных задач по физике: Инерция
Посвящается Чернобаю Александру Арсеньевичу,
директору РОФМШ (Алма-Ата, РОФМШ, 1984–1987 год)
Пусть никто не думает, что великое создание Ньютона может быть ниспровергнуто теорией относительности или какой-нибудь другой теорией. Ясные и широкие идеи Ньютона навечно сохранят своё значение фундамента, на котором построены наши современные физические представления… Альберт Эйнштейн

§ Шкатулка качественных задач по физике: Сила трения
Гораздо труднее увидеть проблему, чем найти её решение. Для первого требуется воображение, а для второго только умение. Джон Десмонд Бернал

§ Шкатулка качественных задач по физике: Давление твёрдых тел
Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые. Дьёрдь де Хевеши

§ Шкатулка качественных задач по физике: Давление жидкостей и газов
Сведение множества к единому – в этом первооснова красоты. Пифагор Самосский

§ Шкатулка качественных задач по физике: Работа, мощность, энергия
Чем больше развивается наше знание, тем больше загадок природы встаёт перед нами… Иван Антонович Ефремов

§ Шкатулка качественных задач по физике: Архимедова сила
Естествознание так человечно, так правдиво, что я желаю удачи каждому, кто отдаётся ему… Иоганн Вольфганг фон Гёте

§ Шкатулка качественных задач по физике:
Смачивание, поверхностное натяжение, капиллярные явления
Образование не даёт ростков в душе, если оно не проникает до значительной глубины. Протагор

§ Шкатулка качественных задач по физике: Плавление и кристаллизация
Наука – сила, которая раскрывает отношения вещей, их законы и взаимодействия. Александр Иванович Герцен. Вашему вниманию 50 качественных задач по физике и… в тему :-) небольшая галерея: «Зима в живописи».

§ Шкатулка качественных задач по физике: Испарение, конденсация, кипение
Приложи сердце твоё к учению и уши твои – к умным словам. Библия, Ветхий Завет, «Книга Притчей Соломоновых»

§ Шкатулка качественных задач по физике: Виды теплопередачи
Радость видеть и понимать есть самый прекрасный дар природы. Альберт Эйнштейн

§ Шкатулка качественных задач по физике: Тепловые двигатели
Живи так, как будто ты умрёшь завтра. Учись так, как будто ты будешь жить вечно. Махатма Ганди

§ Шкатулка качественных задач по физике: Электричество
Инвестиции в знания всегда дают наибольшую прибыль. Бенджамин Франклин

§ Шкатулка качественных задач по физике: Магнитные явления
Знание должно служить творческим целям человека. Мало накоплять знания; нужно распространять их возможно шире и применять в жизни. Николай Александрович Рубакин

§ Шкатулка качественных задач по физике: Механические волны – звук
Многие вещи нам непонятны не потому, что наши понятия слабы, но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий. «Плоды раздумий», Козьма Прутков

§ Шкатулка качественных задач по физике: Оптика (Световые явления)
Надо много учиться, чтобы знать хоть немного. Шарль Луи Монтескье

ФИЗИКА И ХУДОЖЕСТВЕННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Качественные задачи по физике

§ Физика и художественная литература: Оптика
Чарующая магия лунного света…
Учёные те же фантазёры и художники; они не вольны над своими идеями; они могут хорошо работать, долго работать только над тем, к чему лежит их мысль, к чему влечёт их чувство. В них идеи сменяются; появляются самые невозможные, часто сумасбродные; они роятся, кружатся, сливаются, переливаются. И среди таких идей живут и для таких идей они работают. Владимир Иванович Вернадский

§ Физика и художественная литература: Оптика
Гадание с зеркалами на Святки…
Ощущение тайны – наиболее прекрасное из доступных нам переживаний. Именно это чувство стоит у колыбели истинного искусства и настоящей науки. Альберт Эйнштейн

§ Физика и художественная литература: Оптика (Н.В. Гоголь и Х.К. Андерсен)
Едва ли есть высшее из наслаждений, как наслаждение творить.
Николай Васильевич Гоголь
Качественные задачки по физике Николая Васильевича Гоголя и Ханса Кристиана Андерсена ;-) Интеграция: Мировая художественная литература и живопись.

§ Физика и художественная литература: Оптика
Басня «Зеркало и Обезьяна» Ивана Андреевича Крылова
Люди, пренебрегающие знанием, становятся лицом к стене.
Изречения китайской мудрости

§ Физика и художественная литература: Оптика
Басня «Мартышка и Очки» Ивана Андреевича Крылова
Наше дело – учиться и учиться, стараться накоплять возможно больше знаний, потому что серьёзные общественные течения – там, где знания, и счастье будущего человечества только в знании.
Антон Павлович Чехов

§ Физика и художественная литература: Механика
Басня «Лебедь, Щука и Рак» Ивана Андреевича Крылова
Безрассуден человек, надеющийся без учения различать полезное и вредное.
Сократ

§ Физика и художественная литература: Звуковые колебания
Басня «Квартет» Ивана Андреевича Крылова
Грустно бывает слушать музыку без слов,
но ещё грустнее – слушать музыку без музыки… Марк Твен

§ Физика и художественная литература: Механические волны – звук
Особенностью живого ума является то, что ему нужно лишь немного увидеть и услышать для того, чтобы он мог потом долго размышлять и многое понять. Джордано Бруно

§ Физика и художественная литература
поэтический сборник для истинных ценителей науки и искусства
Наука без литературы бездушна и груба; литература же без науки пуста, ибо сущность литературы есть знание. Анатоль Франс

§ Физика и художественная литература (Антон Павлович Чехов)
Образование делает людей лёгкими для направления, но трудными для управления; лёгкими для правления, но невозможными для порабощения. Уильям Блэйк

§ Физика и художественная литература (Владимир Галактионович Короленко)
Вдохновение не есть исключительная принадлежность художника: без него не далеко уйдёт и учёный, без него не много сделает даже ремесленник, потому что оно везде, во всяком деле, во всяком труде. Виссарион Григорьевич Белинский

§ Физика и художественная литература (Александр Иванович Куприн)
Человек рождён для великой радости, для беспрестанного творчества, в котором он – бог, для широкой, свободной, ничем не стеснённой любви ко всему; к дереву, к небу, к человеку, к собаке, к милой, кроткой, прекрасной земле, ах, особенно к земле с её блаженным материнством, с её утрами и ночами, с её прекрасными ежедневными чудесами. Александр Иванович Куприн

§ Физика и художественная литература (Константин Георгиевич Паустовский)
Знание органически связано с человеческим воображением. Этот на первый взгляд парадоксальный закон можно выразить так: сила воображения увеличивается по мере роста познаний. Константин Георгиевич Паустовский

§ Физика и художественная литература (Иван Алексеевич Бунин)
Наука и искусство так же тесно связаны между собой, как лёгкие и сердце, так что если один орган извращён, то и другой не может правильно действовать.
Лев Николаевич Толстой

§ Физика и художественная литература (Иоганн Вольфганг Гёте «Фауст»)
Гёте представляет, быть может, единственный в истории человеческой мысли пример сочетания в одном человеке великого поэта, глубокого мыслителя и выдающегося учёного. Климент Аркадьевич Тимирязев

§ Физика и художественная литература (Майн Рид «Всадник без головы»)
Целью научных занятий должно быть направление ума таким образом, чтобы оно выносило прочные и истинные суждения о всех встречающихся предметах.
Рене Декарт
Предлагаю Вашему вниманию интегрированные качественные задачи по физике от прославленного английского капитана Майн Рида.

§ Физика и художественная литература: Тепловые явления
Красота – сиянье истины. Платон
Вашему вниманию 20 качественных задач по физике (две карточки по десять задач) и… в тему :-) небольшая галерея: «Туман в живописи».

_statistics

---