Задание №5 — МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Решение.

Для того чтобы объяснить, почему по гальке легче ходить в воде, проанализируем силы, действующие на человека в двух разных ситуациях: на берегу и в воде.

1. Силы на берегу: Когда человек стоит на суше, на него действуют две основные силы: сила тяжести $F_{тяж}$, направленная вниз, и сила нормальной реакции опоры $N$, направленная вверх со стороны гальки. Согласно второму закону Ньютона в состоянии покоя, эти силы уравновешивают друг друга: $N = F_{тяж}$. По третьему закону Ньютона, сила, с которой человек давит на гальку (вес), равна по модулю силе реакции опоры $N$. Поскольку площадь соприкосновения стоп с острыми камнями мала, создаётся большое давление, вызывающее болевые ощущения.

2. Силы в воде: Когда человек погружается в воду (например, по пояс), на него, помимо силы тяжести $F_{тяж}$ и силы реакции опоры $N_{вод}$, начинает действовать выталкивающая сила — сила Архимеда $F_{А}$, направленная вертикально вверх. Условие равновесия в этом случае выглядит так:
$N_{вод} + F_{А} = F_{тяж}$, откуда следует, что $N_{вод} = F_{тяж} - F_{А}$.

3. Сравнение: Мы видим, что сила реакции опоры $N_{вод}$ в воде меньше, чем на суше, на величину выталкивающей силы. Следовательно, и сила давления человека на гальку (его вес в воде) становится значительно меньше. Так как сила давления уменьшается, уменьшается и давление на стопы, что делает ходьбу менее болезненной.

4. Анализ вариантов:
— Вариант 1 неверен, так как сила тяжести $F_{тяж} = mg$ зависит только от массы тела и ускорения свободного падения, она не меняется при погружении в воду.
— Вариант 2 полностью соответствует физическому закону Архимеда и объясняет уменьшение силы давления.
— Варианты 3 и 4 не объясняют механическую причину изменения ощущений при ходьбе по дну.

Ответ: 2

Источник: ФИПИ