После удара волейболиста мяч летит вертикально вверх. Укажите, с какими телами он взаимодействует:
а) в момент удара;
б) во время полёта вверх;
в) во время полёта вниз;
г) при ударе о землю.
Изобразите и сравните силы, действующие на мяч во всех случаях.
В момент удара мяч взаимодействует с ногой, на мяч действуют силы: сила тяжести и сила упругости со стороны ноги футболиста. Вторая сила больше первой, в результате мяч приобретает скорость, направленную вверх.
Во время полёта вверх мяч не взаимодействует с телами.
На мяч действуют: сила сопротивления воздуха, направленная против движения, т.е. вниз, и сила тяжести мяча, направленная вниз. Мяч движется равнозамедленно.
Во время полёта вниз мяч не взаимодействует с телами.
На мяч действуют силы: сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Сила сопротивления направлена вверх, она меньше силы тяжести, поэтому мяч движется вниз ускоренно.
При ударе о землю мяч взаимодействует с землей, на мяч действуют силы: сила тяжести и сила упругости. Сила упругости больше, поэтому мяч отскакивает вверх, либо, если эти силы равны, мяч останавливается.
Для анализа взаимодействий и сил, действующих на мяч в разных этапах его движения, важно понимать несколько ключевых физических понятий:
Сила — это физическая величина, характеризующая воздействие одного тела на другое, изменяющее скорость или форму тела. Силы измеряются в ньютонах (Н).
Взаимодействие тел — процесс, при котором одно тело воздействует на другое. Взаимодействия могут быть контактными (при непосредственном соприкосновении тел) и дистанционными (например, сила тяжести, действующая на расстоянии).
Сила тяжести — одна из основных сил, действующих на тела, находящиеся вблизи поверхности Земли. Она равна произведению массы тела на ускорение свободного падения: $ F_t = m \cdot g $, где $ g \approx 9,8 \, \text{м/с}^2 $. Сила тяжести направлена вертикально вниз — к центру Земли.
Сила реакции опоры — возникает при контакте тела с поверхностью или другим телом. Она направлена перпендикулярно поверхности контакта.
Сила сопротивления воздуха — возникает при движении тела в атмосфере. Эта сила направлена против направления скорости тела и зависит от формы, скорости и площади поверхности тела.
Сила удара — возникает при кратковременном и интенсивном взаимодействии тел, например, при ударе руки волейболиста по мячу или мяча о землю. Сила удара действует в момент контакта и имеет большую величину.
Теперь разберём этапы движения мяча и взаимодействия.
а) В момент удара
В момент удара волейболист передаёт мячу импульс через силу, действующую на мяч в течение короткого времени. Это контактное взаимодействие. Сила удара руки волейболиста направлена вверх (в противоположную сторону от силы тяжести), что приводит к изменению скорости мяча. Также на мяч продолжает действовать сила тяжести, направленная вниз. В этот момент взаимодействие происходит между мячом и рукой волейболиста, а также между мячом и Землёй через силу тяжести.
б) Во время полёта вверх
После того как взаимодействие с рукой волейболиста завершилось, мяч движется по инерции. На него действуют две силы:
− Сила тяжести, которая тянет мяч вниз;
− Сила сопротивления воздуха, которая ослабляет скорость мяча и также направлена вниз.
Взаимодействие происходит между мячом и Землёй (через поле тяжести), а также между мячом и воздухом.
в) Во время полёта вниз
Когда мяч начинает падать, на него продолжают действовать:
− Сила тяжести (всё ещё направлена вниз);
− Сила сопротивления воздуха (направлена вверх, против скорости падения).
Взаимодействие происходит между мячом и Землёй (через силу тяжести) и между мячом и воздухом.
г) При ударе о землю
Когда мяч ударяется о землю, происходит кратковременное контактное взаимодействие. Сила, действующая на мяч со стороны земли, направлена вверх — это сила реакции опоры. Также продолжает действовать сила тяжести, направленная вниз. После удара мяч может изменить свою форму на короткий промежуток времени или отскочить, что зависит от его материала и условия удара. В этот момент взаимодействие происходит между мячом и земной поверхностью, а также между мячом и Землёй через силу тяжести.
Сравнение сил
На разных этапах силы, действующие на мяч, изменяются по величине и направлению:
− В момент удара сила руки волейболиста намного превышает силу сопротивления воздуха и силу тяжести, так как она передаёт мячу значительный импульс.
− Во время полёта вверх сила тяжести и сила сопротивления воздуха действуют против направления движения мяча, что постепенно уменьшает его скорость.
− Во время полёта вниз сила тяжести ускоряет мяч, а сила сопротивления воздуха замедляет его.
− При ударе о землю сила реакции опоры может быть очень большой, особенно если мяч падает с большой высоты. Она временно превышает силу тяжести.
Для изображения сил можно использовать схематические рисунки, где:
− Сила тяжести $ F_t $ всегда направлена вниз;
− Сила сопротивления воздуха $ F_a $ всегда направлена против движения мяча;
− Силы удара и реакции опоры $ F_r $ направлены в момент контакта, в зависимости от ситуации.
Эти знания помогут вам понять физическую картину движения мяча и взаимодействий на каждом этапе.
Пожауйста, оцените решение
