Задание OGEPHYS456798: Закон сохранения импульса для замкнутой системы тел. Реактивное движение

Вода вытекает из согнутых концов трубок и приобретает направленный импульс. При этом она действует на трубки в противоположную сторону. Силы приложены на расстоянии от оси колеса, поэтому возникает вращение. Это пример реактивного движения.

Рассматриваем установку в системе отсчёта Земли. У каждого выхода направим касательную ось Ox по струе воды. Стенки направляют поток и сообщают воде силу F вдоль +Ox. Второй закон Ньютона в импульсной форме даёт:
Δp_вx = F·Δt.
Вода действует на стенку с равной по модулю противоположной силой:
F_рx = −F.
На разных концах изогнутых трубок эти реактивные силы образуют пару, вращающую колесо. Вертикальные силы тяжести и поддержки у оси уравновешиваются и не объясняют направление вращения. Потерями на трение в опоре для определения принципа пренебрегаем.

Закон сохранения импульса связывает взаимные изменения импульса воды и трубок при их взаимодействии. Для вращающейся установки существенно также плечо реактивных сил: равная нулю сумма двух сил ещё не означает отсутствие их вращающего действия.

Проверка. Если направить выходы радиально через ось, плечо реактивной силы относительно оси исчезнет и такая сила не будет раскручивать колесо. Если повернуть выходы в обратную сторону, вращение изменит направление. Следовательно, причиной служит реакция струй, а не свободное падение воды или сохранение только её кинетической энергии. Ответ: 3.