При спуске на Землю капсулы с космонавтом для уменьшения скорости раскрывается парашют. Работа какой силы при приземлении положительная и какой − отрицательная?

Для того чтобы разобраться, какая сила выполняет положительную работу, а какая − отрицительную, необходимо понимать основные понятия из механики, связанные с работой силы.

Работа силы − это физическая величина, определяющая изменение энергии тела под действием силы. Работа силы вычисляется по формуле:

$$ A = F \cdot s \cdot \cos(\alpha) $$

где:
− $ A $ — работа силы (в джоулях, Дж),
− $ F $ — величина силы (в ньютонах, Н),
− $ s $ — перемещение тела в направлении действия силы (в метрах, м),
− $ \alpha $ — угол между направлением силы и направлением перемещения.

Положительная и отрицательная работа силы:

• Положительная работа силы выполняется, если направленный угол между силой и перемещением $ \alpha $ меньше $ 90^{\circ} $ (т.е. сила помогает движению тела, ускоряя его).
• Отрицательная работа силы выполняется, если $ \alpha > 90^{\circ} $ (т.е. сила препятствует движению тела, замедляя его).

Силы, действующие на капсулу при спуске:

1. Сила тяжести ($ F_{\text{тяжести}} $): Это сила, с которой Земля притягивает капсулу. Она всегда направлена вниз, к центру Земли. Формула для расчета силы тяжести: $$ F_{\text{тяжести}} = m \cdot g $$ где:
   • $ m $ — масса капсулы,
   • $ g $ — ускорение свободного падения ($ \approx 9.8 \, \text{м/с}^2 $).

Сила тяжести способствует движению капсулы вниз, поэтому её работа будет положительной, если капсула движется в направлении силы тяжести.

1. Сила сопротивления воздуха ($ F_{\text{сопротивления}} $): Эта сила возникает из−за взаимодействия капсулы с молекулами воздуха. Сила сопротивления воздуха направлена противоположно движению капсулы, то есть вверх. Она замедляет капсулу, препятствуя её движению. Работа силы сопротивления воздуха будет отрицательной, поскольку направление силы сопротивления воздуха противоположно направлению перемещения капсулы.

2. Сила натяжения парашюта ($ F_{\text{парашют}} $): После раскрытия парашюта его натяжение также создаёт тормозящую силу, направленную вверх. Эта сила эффективно снижает скорость капсулы и, как и сила сопротивления воздуха, её работа будет отрицательной.

Энергия в процессе спуска:

При спуске капсулы с космонавтом происходит преобразование энергии:
− Потенциальная энергия капсулы ($ E_{\text{потенц.}} $) превращается в кинетическую энергию ($ E_{\text{кин.}} $), так как капсула движется вниз.
− Однако силы сопротивления воздуха и натяжения парашюта "забирают" часть кинетической энергии капсулы и превращают её в тепловую энергию из−за трения.

Таким образом, силы, действующие во время спуска капсулы, ведут к изменению её энергии и выполняют положительную или отрицательную работу в зависимости от их направления относительно движения капсулы.