Металлический шар подвешен на нити (рис. 12). Снизу к шару привязана такая же нить. Если за неё медленно тянуть вниз, то отрывается верхняя нить. При резком рывке отрывается нижняя нить. Почему?

рис. 12

Чтобы понять, почему в данной ситуации отрывается то верхняя, то нижняя нить, необходимо рассмотреть несколько физических явлений и законов, связанных с действием сил и инерцией.

1. Силы, действующие на тело:
   • Металлический шар подвешен на верхней нити, и его вес оказывает силу вниз. Эта сила равна $ F_{\text{вес}} = mg $, где $ m $ — масса шара, а $ g $ — ускорение свободного падения.
   • Если за нижнюю нить начинают тянуть, возникают дополнительные силы:
   • При медленном натяжении силы передаются через шар к верхней нити, увеличивая общую нагрузку на неё.
   • При резком рывке возникают силы, связанные с инерцией шара.

1. Закон инерции:
   • Согласно первому закону Ньютона (закон инерции), тело стремится сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют внешние силы. Это означает, что если шар находится в состоянии покоя, то при резком рывке он сопротивляется изменению своего состояния, что связано с его массой и свойствами инертности.
   • Инерция шара играет ключевую роль в объяснении, почему отрывается нижняя нить при резком рывке.

1. Равномерное натяжение нити:
   • Если нижнюю нить тянуть медленно, сила натяжения равномерно передается через шар на верхнюю нить. В этом случае к силе тяжести шара добавляется сила натяжения, создаваемая вашим действием. В результате верхняя нить испытывает большую нагрузку, чем нижняя, и поэтому рвётся.

1. Резкий рывок:
   • При резком рывке сила натяжения в нижней нити резко возрастает за короткий промежуток времени. Однако из−за инерции шар сопротивляется движению, и сила, приложенная к нижней нити, не успевает передаться на верхнюю нить. Нижняя нить получает основную нагрузку, что приводит к её разрыву.

1. Скорость передачи силы:
   • При медленном натяжении силы передаются постепенно, и обе нити испытывают нагрузки, обусловленные весом шара и вашим действием. Но верхняя нить, получая всю нагрузку, рвётся первой.
   • При резком рывке скорость приложения силы настолько велика, что нижняя нить испытывает критическую нагрузку, прежде чем сила успеет перераспределиться через шар на верхнюю нить.

1. Сравнение предельной нагрузки нитей:
   • Каждая нить имеет свою предельную нагрузку, выше которой она рвётся. При медленном натяжении нагрузка равномерно увеличивается, и верхняя нить оказывается слабым звеном. При резком рывке нижняя нить выходит из строя из−за кратковременного пикового значения силы.

Таким образом, этот опыт демонстрирует взаимодействие таких явлений, как инерция, передача силы через тело, а также зависимость поведения системы от характера приложения силы (медленно или резко).