На Горох
Физика, 10 класс

3. Колесо и ступенька

"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.

Объяснение темы В оглавлении: 3. Колесо и ступенька

Кратко о теме

Чтобы закатить колесо на ступеньку, нужно приподнять его центр тяжести, приложив силу. В момент начала подъёма колесо поворачивается вокруг угла ступеньки, который становится точкой опоры. Поэтому задачу удобно решать с помощью правила моментов сил: момент приложенной силы должен уравновесить момент силы тяжести. Результат зависит от радиуса колеса, высоты ступеньки и направления силы.

Объяснение темы

Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.

Определения и обозначения

Колесо — круглое тело радиуса R, которое в задаче можно считать жёстким. Радиус R — расстояние от центра колеса до его края; он нужен, чтобы определить положение центра относительно угла ступеньки. Масса колеса обозначается m, а сила тяжести равна mg, где g — ускорение свободного падения.

Ступенька — препятствие высотой h, на верхний угол которого колесо опирается в момент начала подъёма. Этот угол обозначим A: именно относительно него удобно рассматривать поворот колеса. Если h меньше R, колесо может начать подниматься, не проходя сквозь ступеньку.

Момент силы показывает, насколько сила стремится повернуть тело вокруг выбранной точки. Его модуль равен произведению силы на плечо: M = Fl, где l — кратчайшее, перпендикулярное расстояние от точки опоры до линии действия силы. Это определение позволяет сравнить действие силы, толкающей колесо, и силы тяжести.

Как это устроено

Пока колесо стоит на горизонтальной поверхности, оно опирается на неё внизу. Когда его толкают к ступеньке, край колеса упирается в верхний угол. Если сила недостаточна, колесо не поднимается; если достаточна, оно начинает поворачиваться вокруг угла A. Поэтому для поиска порогового значения силы рассматривают именно этот момент начала поворота.

В момент контакта расстояние от угла A до центра колеса равно радиусу R: центр находится над и правее угла. Вертикальное расстояние от угла до центра равно R − h, потому что центр расположен на высоте R над землёй, а угол — на высоте h. Из прямоугольного треугольника горизонтальное расстояние от A до центра составляет √(R² − (R − h)²), то есть √(2Rh − h²).

Сила тяжести направлена вертикально вниз через центр колеса. Поэтому её плечо относительно A — не радиус и не расстояние до центра, а найденное горизонтальное расстояние √(2Rh − h²). Эта сила создаёт момент, который стремится повернуть колесо вниз, обратно к поверхности. Такой выбор направления момента помогает понять, почему тяжёлое колесо труднее поднять.

Если колесо толкают горизонтально за ось, линия действия силы проходит через центр. Перпендикулярное расстояние от A до этой горизонтальной линии равно вертикальному расстоянию до центра, то есть R − h. Толкающая сила создаёт момент в сторону подъёма. При начале движения моменты уравновешены: F(R − h) = mg√(2Rh − h²).

Отсюда получают F = mg√(2Rh − h²)/(R − h). Это пороговая сила для указанного направления и точки приложения: если сила больше, колесо может начать подниматься, а если меньше — её момента недостаточно. При h, близком к R, плечо приложенной горизонтальной силы становится малым, поэтому для подъёма требуется особенно большая сила.

Как меняются плечи сил

Сила или величинаНаправление или значениеПлечо относительно AРоль в повороте
Сила тяжестиВертикально вниз, mg√(2Rh − h²)Препятствует подъёму
Толкающая силаГоризонтально, FR − hПоднимает колесо
Высота ступенькиh, где h < RОпределяет геометриюВлияет на оба плеча

Пользуйся таблицей после того, как выберешь точку опоры: здесь ею служит угол A. Сначала подставь плечи в правило моментов, а затем проверь, что каждое плечо измерено перпендикулярно соответствующей силе. Так проще избежать подмены плеча расстоянием до центра или точки приложения силы.

Разбор задач

Колесо массой 20 кг и радиусом 0,50 м нужно закатить на ступеньку высотой 0,10 м. К оси прикладывают горизонтальную силу. Найдём минимальную силу в момент начала подъёма, считая g = 10 Н/кг и пренебрегая прочими силами. Сначала важно установить, вокруг какой точки колесо начнёт поворачиваться: это верхний угол ступеньки.

  1. Обозначим точку опоры A и запишем данные: m = 20 кг, R = 0,50 м, h = 0,10 м. Условие h < R выполняется, значит геометрическая схема подъёма возможна. Вес колеса равен mg = 20 · 10 = 200 Н.

  2. Найдём плечо горизонтальной силы. Центр колеса находится на высоте R, поэтому расстояние по вертикали от угла до центра равно R − h = 0,50 − 0,10 = 0,40 м. Это и есть плечо F, так как сила направлена горизонтально.

  3. Найдём плечо силы тяжести по геометрии. Горизонтальное расстояние от угла до центра равно √(R² − (R − h)²) = √(0,50² − 0,40²) = √0,09 = 0,30 м. Оно является плечом веса, поскольку вес направлен вертикально.

  4. При начале подъёма моменты уравновешены: F · 0,40 = 200 · 0,30. Отсюда F = 60/0,40 = 150 Н. Проверка размерности: ньютон-метры в левой и правой частях равенства моментов совпадают.

Ответ: минимальная горизонтальная сила равна 150 Н. Если приложить меньшую силу, её момент не сможет уравновесить момент силы тяжести относительно угла ступеньки. Результат относится к заданной модели и не учитывает потери из-за деформации или трения.

Типичные ошибки

  • Принимают радиус R за плечо силы тяжести. Так делают, потому что центр колеса находится от угла на расстоянии R, но плечо — это перпендикуляр к линии действия силы. Для проверки проведи мысленно вертикальную линию через центр: расстояние до неё от угла и будет плечом веса.

  • Для горизонтальной силы берут расстояние от угла до центра по диагонали. Диагональ равна R, но не перпендикулярна горизонтальной линии действия силы. Проверь себя, опустив перпендикуляр от точки опоры к этой линии: он вертикален и равен R − h.

  • Сравнивают сами силы и забывают об их плечах. Большая сила не обязательно создаёт больший момент, если действует с коротким плечом. Записывай произведение силы на плечо для каждой силы — так сразу видно, что именно нужно уравновесить.

  • Считают, что момент силы тяжести помогает поднять колесо. Вес направлен вниз, и относительно верхнего угла он стремится вернуть колесо к нижнему положению. Проверь направление поворота: толкающая сила и вес должны создавать моменты противоположных направлений в момент равновесия.

Связь с другими темами

Задача опирается на понятие момента силы и правило равновесия вращательного движения: суммарный момент относительно точки опоры равен нулю. Геометрию плеч помогает находить теорема Пифагора, а вычисления используют связь силы тяжести с массой тела. Похожий подход применяют при анализе рычагов, дверных ручек и других ситуаций, где сила вызывает поворот.

Что запомнить

  • В начале подъёма колесо поворачивается вокруг верхнего угла ступеньки.

  • Плечо силы — перпендикулярное расстояние от точки опоры до линии действия силы.

  • Для горизонтального толчка за ось плечо силы равно R − h, а плечо веса — √(2Rh − h²).

  • Минимальную силу находят из равенства моментов: F(R − h) = mg√(2Rh − h²).

Частые вопросы по теме

Почему колесо поворачивается вокруг угла ступеньки?

В начале подъёма колесо касается ступеньки её верхним углом, и в этот момент угол служит опорой. Колесо начинает поворачиваться вокруг него, если приложенная сила создаёт достаточный момент.

Как найти минимальную горизонтальную силу, чтобы закатить колесо?

Рассмотрите момент сил относительно угла ступеньки и приравняйте момент приложенной силы к моменту силы тяжести. Если радиус колеса R, масса m, а высота ступеньки h, то F = mg√(2Rh − h²)/(R − h), где h < R.

Почему силу прикладывают к оси колеса?

В типовой задаче сила приложена горизонтально к оси, то есть к центру колеса. Такое условие позволяет определить её плечо относительно угла ступеньки и сравнить моменты сил.

Спросить по теме параграфа

3. Колесо и ступенька

Эта же тема в других учебниках

Учебник

Оглавление →
Предмет
Физика
Класс
10 класс
Учебник
"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.