Механика (нет в… — Задание 21 ЕГЭ по физике №00016524

Колесо со «спицами» из натянутых резинок висит на оси и может свободно вращаться. Слева его греет лампа. Вопрос — что будет с резинками и с колесом.

Шаг 1 — что делают резинки. По условию резина при нагревании сжимается. Лампа стоит слева, поэтому сильнее всего нагреваются резинки левой половины колеса: они укорачиваются. Резинки справа остаются холодными и своей длины не меняют.

Шаг 2 — что происходит с ободом. Обод держится только на резинках. Слева «спицы» стали короче и подтянули свой участок обода ближе к оси; справа обод остался на прежнем расстоянии. В итоге обод целиком сместился относительно оси вправо — колесо перестало быть симметричным.

Шаг 3 — почему колесо поворачивается. Почти вся масса колеса сосредоточена в ободе. Пока обод был симметричен, центр масс колеса лежал на оси, сила тяжести проходила через ось и не создавала момента — колесо покоилось в любом положении. Теперь центр масс сместился от оси вправо. Сила тяжести приложена в центре масс и направлена вниз, её плечо относительно оси стало ненулевым, и появился момент силы тяжести, который опускает правую, «тяжёлую» сторону колеса. Колесо начинает поворачиваться по часовой стрелке (если смотреть так, как показано на рисунке).

Заметь: сами силы натяжения резинок повернуть колесо не могут. Они направлены вдоль «спиц», то есть проходят через ось, и их момент относительно оси равен нулю. Резинки лишь меняют форму колеса, а вращает его сила тяжести.

Шаг 4 — почему вращение не прекращается. При повороте нагретые резинки уходят от лампы и остывают, снова удлиняясь, а на их место приходят холодные и нагреваются. Левая половина всё время оказывается «подтянутой», центр масс всё время остаётся справа от оси, и момент силы тяжести действует постоянно. Колесо вращается, пока светит лампа: энергия на это берётся от неё.