Сборник задач для
студентов-физиков. Автор: Кашкаров В.В. Оригинал взят с сайта Казахского Национального Университета им. аль-Фараби
- Почему движущийся по рельсам трамвай стучит?
- Площадь колеса трамвая равна пи эр квадрат,
вот этот вращающийся квадрат и стучит!
Из разговора, услышанного в трамвае.
- Предположим, что пары колес трамвая,
укрепленные на одной оси не могут вращаться друг
относительно друга (система: колесо-ось-другое колесо -
цельная). Какое из колес, находящихся на одной оси, будет
проскальзывать на повороте? Выступает ли при этом
возникающая сила трения скольжения "помощницей" в
поступательном движении?
- На конечной остановке трамвая собралась
большая очередь пассажиров. Средняя пропускная способность
транспорта - n человек в минуту. К каждому стоящему в
очереди пассажиру в минуту подходит k человек друзей и
встают впереди него. Определите номер человека в очереди,
после которого стоять бесполезно. С какой скоростью движется
человек в очереди, если в данный момент его номер N?
- Стоящий в трамвае пассажир закрыл глаза и
полностью потерял свою ориентировку. Сможет ли он на основе
лишь своих ощущений сделать вывод о причине ускорения - это
результат торможения, разгона или поворота трамвая?
- Трамвай совершает левый поворот с
постоянной по величине скоростью. В этот момент два человека
идут внутри трамвая: один вперед, к водителю за билетом,
второй, купив билет, на заднюю площадку. Какому из них легче
передвигаться внутри трамвая?
- Пассажир, стоящий на задней площадке
трамвая, обращает внимание на интересную закономерность -
при торможении трамвая ветер из бокового открытого окна дует
ему в лицо, а при разгоне трамвая от остановки воздух
устремляется через окно наружу. Чем это объясняется?
- Одна из особенностей трамвайного транспорта
- точное соблюдение графика движения. Трамваи идут от
физфака в сторону библиотеки с интервалом 10 минут. В
противоположном направлении - к кинотеатру, интервал
движения тот же самый - 10 минут. Студент, после окончания
занятий, оказывается на остановке трамвая в случайные
моменты времени и, не раздумывая, заходит в первый
подошедший трамвай - идущий или в сторону библиотеки или в
сторону кинотеатра. По прошествии месяца студент
обнаруживает, что кинотеатр он посещал в два раза чаще, чем
библиотеку. Как это можно объяснить?
- Применявшиеся ранее компостеры для
погашения абонементов имели матрицу m x n отверстий, в
некоторых из них устанавливались стержни, пробивающие
отверстия в абонементах. В каждом трамвае был свой
характерный набор стержней. Сколько трамваев могло
находиться на линии, чтобы контролер мог однозначно
определить принадлежность погашенного пассажиром абонемента?
- Как направлены векторы угловой скорости и
углового ускорения колес трамвая на разных участках
движения: при равномерном движении; при торможении перед остановкой; при разгоне от остановки; при повороте трамвая налево; при повороте трамвая направо? Проанализируйте эти же вопросы для векторов
скорости и ускорения центра масс трамвая.
- Существуют ли точки колес трамвая, имеющие
в данный момент времени горизонтальную составляющую
скорости, направленную назад относительно Земли, если
трамвай движется вперед?
- Почему дуга токосъемника трамвая наклонена
назад, т.е. составляет тупой угол с направлением движения
трамвая?
- В трамваях старой конструкции стоящие
пассажиры держались не за поручни, а за кольца, подвешенные
на ремнях, укрепленных на потолке. Объясните наблюдаемое
пассажиром движение такого свободно висящего кольца при
повороте трамвая налево. Какие силы вызывают это
движение?
- Какова вероятность приобретения
"счастливого" билета в трамвае? "Счастливым" билетом
считается такой, в котором сумма первых трех цифр в его
шестизначном номере равна сумме последних трех.
- Объясните смысл предупреждающих табличек,
встречающихся на некоторых участках движения трамваев:
"Осторожно, листопад!" Почему таких предупреждений не делают
водителям автомобилей?
- В каких местах износ трамвайных рельсов
больше - на участках со впадиной или на участках с выпуклым
профилем пути?
- Два одинаковых трамвая, въезжая с
одинаковой начальной скоростью на участок с подъемом пути,
движутся далее по инерции. У первого трамвая за счет сил
трения колеса катятся по рельсам без проскальзывания, а у
второго - трение колес о рельсы на участке подъема
отсутствует. Какой из трамваев пройдет больший путь до
остановки?
- Конструкторы при создании новой модели
скоростного трамвая, который должен иметь максимальное
ускорение при отходе от остановки, стоят перед дилеммой -
сделать ведущими задние или передние колеса? Как поступили
бы Вы?
- Мальчик едет в трамвае с базара, где он
купил рыбок в аквариуме. Ощущают ли рыбки силы инерции,
возникающие в трамвае? Замечает ли мальчик какие-либо
особенности в поведении рыбок?
- Как должен двигаться в трамвае пассажир,
чтобы не ощущать сил инерции при повороте трамвая?
- В чем преимущества и недостатки трамвайного
транспорта с точки зрения экологии?
- Каков механизм физического явления,
приводящего к "визгу" трамвая на поворотах?
- Одинаковый ли износ рельсов на
прямолинейных участках трамвайных путей?
- Предположим, что ось быстро вращающегося
трамвайного электро-двигателя расположена горизонтально и
перпендикулярна направлению движения. Будет ли это
способствовать устойчивости трамвая на поворотах?
- Почему трамваи стараются сделать легче, а
локомотивы, которые тянут большие составы вагонов, -
тяжелее?
- По физической легенде "На прямолинейных
участках трамвайных путей в северном полушарии сильнее
изнашивается правый рельс (если смотреть по ходу движения)".
Но, если мы посмотрим на пути через зеркало, то увидим более
изношенным левый рельс. Нет ли здесь противоречия?
- Каков механизм возникновения на рельсах
деформаций в виде волны ("гребенка")? Чем определяется длина
волны таких деформаций?
- Пассажир трамвая везет бутылку с молоком.
До поворота трамвая молоко в бутылке покоится. Приобретет ли
вращение молоко в бутылке сразу после завершения трамваем
левого поворота? Если да, то в какую сторону?
- В трамвае открыты только два окна -
последнее сбоку и торцевое заднее. Каково будет направление
потока воздуха в трамвае при его равномерном
движении?
- Мальчик в трамвае держит за нитку воздушный
шар, заполненный гелием. Каково будет поведение шара при
разгоне, торможении, повороте трамвая? Окна и двери трамвая
закрыты.
- Пассажиры стоящего на остановке трамвая
начали случайным образом подпрыгивать в нем. Как изменилась
при этом средняя сила давления трамвая на рельсы?
- Оцените среднюю силу давления на переднюю
стенку трамвая стоящими в нем пассажирами при резком
торможении трамвая от скорости V до V/2. Как зависит ответ
от "плотности" пассажиров в трамвае?
- Инспектор ГАИ на перекрестке замечает, что
частота мигания сигнала указателя поворота у трамвая,
движущегося ему навстречу, отличается от частоты у
удаляющегося трамвая. В каком порядке по v/c проявляется
этот эффект?
- Исследуйте вопрос о целесообразности
покупки билетов в трамвае. Может быть выгоднее
расплачиваться штрафами?
- Предположим, что скорость трамвая V
относительно Земли зависит от положения x его центра масс и
времени t по закону: V(x,t) = Vo sin{(2p/L)(x-ct)}, где L -
длина трамвая, Vo < c. Найдите закон движения трамвая и
зависимость от времени внешней силы, вызывающей такое
движение. Сможет ли трамвай за большой промежуток времени
куда-нибудь уехать?
- Вы стоите у открытого окна трамвая и
слушаете мягкий стук колес. Вдруг мимо вас проносится
встречный трамвай. Почему встречный трамвай грохочет
сильнее, чем тот, в котором вы едете?
- Как зависит частота звукового сигнала,
издаваемого движущимся трамваем и воспринимаемая стоящим на
остановке пассажиром, от скорости движения трамвая?
- Если трамвайный путь, выходящий из
некоторой точки А, далее идет все время на северо-восток, то
куда он приведет?
- Одинаковые ли промежутки времени между
последовательными стуками колес зафиксируют пассажир в
трамвае и стоящий на дороге пешеход?
- Оцените скорость направленного движения
электронов в токоподводящем проводе трамвая.
- Почему нас не "бьет током", если наступить
на рельсы, по которым идет ток для привода электродвигателя
трамвая?
- Трамвайный токоподводящий провод оборвался
и повис, касаясь Земли. Есть ли опасность поражения
электрическим током для человека, стоящего поблизости? А
если человек идет вблизи точки касания провода о
Землю?
- Иногда при торможении трамвая перед
остановкой можно видеть, что некоторые его колеса вращаются
в обратном направлении. Имеет ли это явление отношение к
экономии электроэнергии?
- Трамвай движется с востока на запад.
Оцените дополнительную ЭДС, возникающую в цепи питания
трамвая за счет магнитного поля Земли. Зависит ли эта ЭДС от
движения других трамваев?
- На участках трамвайных путей с
переключающейся стрелкой вдоль основного провода, по
которому идет ток к двигателю трамвая, проложен еще один.
Этот дополнительный провод замыкается с основным дугой
токосъемника трамвая. Как же водитель трамвая выбирает
направление дальнейшего движения?
- Рассчитайте скорость трамвая, при которой
красный свет светофора водитель трамвая воспримет
зеленым.
- В момент, когда расстояние между двумя
встречно движущимися трамваями со скоростью V относительно
Земли равно L, один из водителей мигает светом. Через какое
время он заметит свет, отраженный от лобового стекла второго
трамвая?
- Подача электроэнергии прекратилась. Могут
ли пассажиры трамвая (не выходя из него) заставить его
двигаться вперед продолжительное время?
- Как изменится период колебаний
математического маятника в трамвае при торможении или
разгоне?
- Можно ли по следам на стекле от капель
дождя оценить скорость движения трамвая?
- Почему капли дождя на стекле трамвая
"предпочитают" стекать по уже "проторенным" дорожкам?
- Какое должно быть расстояние между осями
передних и задних колес трамвая, чтобы в момент входа
трамвая в поворот задняя ось трамвая не испытывала "отдачи"?
- Мальчик раскрутил на полу трамвая волчок.
Как изменится его движение при ускорении трамвая?
- Вы подходите к трамвайному пути, по
которому движение трамваев осуществляется только в одном
направлении. Можете вы определить - в каком именно?
(Остановки трамвая в поле видимости нет).
- Иногда в кино можно видеть движущийся
трамвай, у которого колеса вращаются в противоположную
сторону! Как это объяснить?
- Вы можете предложить конструкцию
монорельсового трамвая?
- Предложите конструкцию системы для питания
двигателя трамвая без связи по проводам.
- Почему кабина водителя трамвая расположена
впереди, а на грузовых баржах обычно ближе к корме?
- Если у трамвая есть несколько двигателей,
то как выгоднее их расположить по отношению к трамваю? На
что это может повлиять?
- Ось трамвайных колес, укрепленная в
роликовых подшипниках, вращается с некоторой угловой
скоростью. Какова угловая скорость вращения роликов в
подшипниках?
- Каким током трамвай приводится в движение -
постоянным или переменным?
- Пассажиру предстоит длительная поездка в
жаркую погоду. Как довезти до дому молоко, чтобы оно не
скисло?
- К потолку трамвая подвешен на нити тонкий
диск. Каково будет установившееся положение диска, если
трамвай движется равномерно по окружности? Как зависит это
положение диска от точки его подвеса?
- Сформулируйте основные принципы поведения
стоящего в трамвае пассажира, чтобы он имел наибольшую
устойчивость.
- Оцените необходимую мощность
электродвигателя трамвая. Какими факторами она
определяется?
- В каком месте трамвая пассажир будет
испытывать минимальные неудобства из-за тряски и
ускорений?
- На какой оси трамвая - передней или задней
необходимо ставить более мощные тормоза?
- Существуют трамваи с одним или несколькими
(обычно двумя) вагонами. В чем их преимущества и
недостатки?
- Почему зимой голые металлические поручни в
трамвае ощущаются более холодными, чем поручни, покрытые
пластмассой, хотя их температура одинакова?
- Мальчик положил на трамвайные рельсы монету
с круглой дыркой в центре. Как изменятся размер и форма
дырки и монеты после того, как по ней проедет
трамвай?
- Можно ли определить, как лежал на рельсах
гвоздь - вдоль или поперек, после того, как по нему проехал
трамвай?
- Почему на стыках трамвайных рельсов делают
подвижное крепление?
- Почему форма у колес трамвая такая, что
реборда расположена с внутренней стороны рельсов, а не
наоборот? На что и как может повлиять форма профиля колеса
трамвая?
- Если бы лобовое стекло трамвая было очень
толстым, как изменилось бы восприятие водителем окружающей
обстановки?
- В боковую стенку стоящего трамвая
"врезается" автомобиль. Удар в какое место трамвая проще
собьет его с рельсов?
- Если бы все трамваи имели кондиционеры,
стало бы летом в городе от их работы прохладнее?
- Почему противотуманные фары располагают
поближе к поверхности Земли и ставят на них стекла желтого
цвета?
- В городе идет сильный дождь. На каком
расстоянии от остановки можно заметить приближающийся
трамвай?
- Зимой стекла трамваев покрываются инеем
изнутри, а не снаружи. С чем это связано?
- В период резкого похолодания звук от
движущихся трамваев слышен на гораздо большем расстоянии,
чем в другое время. Как это объяснить?
- Почему зимой оконные стекла трамвая
начинают "зарастать" инеем снизу?
- Зимой для поддержания нормальной
температуры внутри трамвая необходимо выделять тепло в
количестве Q джоулей в секунду. Можно ли при этом обойтись
потребляемой мощностью W, значительно меньшей, чем Q джоулей
в секунду?
- Во сколько раз отличаются энергии,
переходящие в разрушения, при столкновении трамваев в двух
случаях: в первом - движущийся трамвай сталкивается со
стоящим на остановке, а во втором происходит лобовое
столкновение двух движущихся навстречу трамваев?
- На прямолинейном участке пути водитель
трамвая может выбрать такую скорость движения, что попадет в
"зеленую волну", создаваемую светофорами. Существует ли
"зеленая волна" для трамвая, движущегося в противоположном
направлении?
- Каково соотношение между различными
скоростями движения трамвая, соответствующими движению в
"зеленой волне"?
- Отличается ли давление воздуха в равномерно
движущемся трамвае от атмосферного давления снаружи?
- Трамвай движется равномерно сначала по
прямой, затем по дуге четверти окружности и опять по прямой
линии. Существуют ли точки, относительно которых вектор
момента импульса трамвая остается неизменным?
- Трамвай движется по инерции без трения по
пути, представляющим собой сходящуюся спираль. Как
изменяется скорость движения трамвая? Как изменяется момент
импульса трамвая относительно центра спирали?
- Два трамвая движутся по инерции с
одинаковыми скоростями по параллельным путям. Далее путь
одного трамвая имеет выпуклый участок (горку), а у другого -
вогнутый (яма). Как изменится расстояние между трамваями
после прохождения ими этих участков?
- Можно ли оценить глубину лужи, которую
пересекает трамвай, по наблюдаемому виду волн, создаваемых
колесом трамвая на поверхности воды?
- Какой трамвай более устойчив на повороте -
пустой или с пассажирами?
- Какая сила приводит к ускорению трамвая,
отъезжающего от остановки?
- Трамвай, начиная свое движение от конечной
остановки и пройдя весь маршрут, длиной S, снова вернулся на
конечную остановку через время t. Найдите средние модули и
векторы скорости и ускорения трамвая за время
движения.
- Трамвай движется по незастроенной
территории прямолинейно с постоянной скоростью. Пассажир,
находящийся в точке А, заметил трамвай в точке В. Нарисуйте
область, из которой пассажир успеет достичь трамвайных
путей, чтобы уехать на этом трамвае.
- Как зависит сила давления трамвая на рельсы
от широты местности и направления движения? Насколько
существенен этот эффект?
- Какова должна быть длина нити
математического маятника, чтобы при известной длине рельсы и
скорости трамвая, наблюдалось явление резонанса?
- Поздним вечером, возвращающийся домой
студент рассматривает свое изображение в оконном стекле
трамвая. Почему в отраженном изображении меняются местами
"правое" и "левое", но не меняются "верх" и "низ"?
- Всегда говорящий правду водитель трамвая
объявляет пассажирам: "Приобретайте билеты! На одной из пяти
следующих остановок в трамвай войдет контролер! На какой
именно остановке это произойдет - для вас будет полной
неожиданностью!" Студент размышляет: "Контролер не может
войти на пятой остановке, так как, если он не вошел на
первых четырех, то все будут наверняка ожидать его на пятой
остановке, а водитель обещал нам полную неожиданность
появления контролера в трамвае. Значит, контролер может
появиться только на первых четырех остановках. Но, если он
не появится на первых трех остановках, я буду точно знать,
что он войдет на четвертой! Это для меня уже не будет
неожиданностью! Значит, контролера не может быть и на
четвертой остановке!" Рассуждая так далее, студент приходит
к выводу, что проверки билетов вообще не предвидится, и едет
"зайцем". Однако на третьей остановке, в полном соответствии
с обещанием водителя, в трамвай неожиданно входит контролер
и требует изумленного студента заплатить штраф! Где же
студент ошибся в своих рассуждениях?
- В трамвай заходит группа студентов.
Сколькими различными способами они могут занять сидячие
места?
- Средний интервал времени между прибытием
трамваев к некоторой остановке - 10 минут. Какова
вероятность ожидания трамвая не более 2 минут?
- Как зависит "энтропия" пассажиров в трамвае
от их количества?
- Почему стекло трамвая прозрачно для света,
а обшивка - нет?
Вернуться к оглавлению раздела Задачи о Трамвае
|