При решении задач динамики мы будем в основном рассматривать следующие постоянные или переменные силы (законы изменения переменных сил, как правило, устанавливаются опытным путем).
Сила тяжести. Это постоянная сила Р, действующая на любое тело, находящееся вблизи земной поверхности (подробнее см. § 92). Модуль силы тяжести равен весу тела.
Опытом установлено, что под действием силы Р любое тело при свободном падении на Землю (с небольшой высоты и в безвоздушном пространстве) имеет одно и то же ускорение g, называемое ускорением свободного падения, а иногда ускорением силы тяжести
Тогда из уравнения (Г) следует, что
Эти равенства позволяют, зная массу тела, определить его вес (модуль действующей на него силы тяжести) или, зная вес тела, определить его массу. Вес тела или сила тяжести, как и величина g, изменяются с изменением широты и высоты над уровнем моря; масса же является для данного тела величиной неизменной.
Сила трения. Так будем кратко называть силу трения скольжения, действующую (при отсутствии жидкой смазки) на движущееся тело. Ее модуль определяется равенством (см. § 23)
где f - коэффициент трения, который будем считать постоянным; N - нормальная реакция.
Сила тяготения. Это сила, с которой два материальных тела притягиваются друг к другу по закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном. Сила тяготения зависит от расстояния и для двух материальных точек с массами находящихся на расстоянии друг от друга, выражается равенством
где f - гравитационная постоянная (в ).
Сила упругости. Эта сила тоже зависит от расстояния. Ее значение можно определить исходя из закона Гука, согласно которому напряжение (сила, отнесенная к единице площади) пропорционально деформации. В частности, для силы упругости пружины получается значение
где - удлинение (или сжатие) пружины; с - так называемый коэффициент жесткости пружины (в СИ измеряется в ).
Сила вязкого трения. Такая сила, зависящая от скорости, действует на тело при его медленном движении в очень вязкой среде (или при наличии жидкой смазки) и может быть выражена равенством
где v - скорость тела; - коэффициент сопротивления. Зависимость вида (7) можно получить исходя из закона вязкого трения, открытого Ньютоном.
Сила аэродинамического (гидродинамического) сопротивления.
Эта сила тоже зависит от скорости и действует на тело, движущееся в такой, например, среде, как воздух или вода. Обычно ее величину выражают равенством
где - плотность среды; - площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения (площадь миделя); - безразмерный коэффициент сопротивления, определяемый обычно экспериментально и зависящий от формы тела и от того, как оно ориентировано при движении.
Инертная и гравитационная массы. Для экспериментального определения массы данного тела можно исходить из закона (1), куда масса входит как мера инертности и называется поэтому инертной массой. Но можно исходить и из закона (5), куда масса входит как мера гравитационных свойств тела и называется соответственно гравитационной (или тяжелой) массой. В принципе ни откуда не следует, что инертная и гравитационная массы представляют собой одну и ту же величину. Однако целым рядом экспериментов установлено, что значения обеих масс совпадают с очень высокой степенью точности (по опытам, проделанным советскими физиками (1971 г.), - с точностью до ). Этот экспериментально установленный факт называют принципом эквивалентности. Эйнштейн положил его в основу своей общей теории относительности (теории тяготения).
Исходя из изложенного, в механике пользуются единым термином «масса», определяя массу как меру инертности тела и его гравитационных свойств.
В ходе данного урока «Виды сил» мы ознакомимся с различными силами, которые действуют вокруг нас, научимся описывать их и решать задачи. Узнаем о равнодействующей силе сразу нескольких сил и о взаимодействии тел.
Тела взаимодействуют, и эти взаимодействия влияют на то, будет ли двигаться тело и как именно. Силы взаимодействия определяют ускорение. Какова природа этих сил? Можно толкнуть тело рукой, и оно сдвинется - с таким действием всё понятно. Но есть множество других взаимодействий. Например, если мы разожмём пальцы, то тело упадёт вниз. В воздухе тело упадет быстрее, чем тонуло бы в воде. Это означает, что на тело действуют какие-то силы. Тело лежит на столе и давит на него - тоже взаимодействие. Вещества состоят из структурных частиц - эти частицы как-то взаимодействуют друг с другом. Возникает вопрос, как это всё учесть и рассчитать, ведь нам приходится отвечать на вопрос: «Что, если…?», предсказывать явления.
Любые два тела притягиваются. Явление притяжения по-другому называют гравитацией. Мы её ощущаем по тому, что Земля притягивает тела: преодолеваем гравитацию, когда поднимаем что-то тяжелое, и наблюдаем её действие, когда тело падает. Сила притяжения зависит от масс тел и от расстояния между ними. Масса Земли огромна, поэтому к ней тела притягиваются заметно. Две книги на полке тоже притягиваются друг к другу, но так слабо из-за малых масс, что мы этого не замечаем.
Притягивает ли нас Луна? А Солнце? Да, но намного меньше, чем Земля, из-за большого расстояния. Мы на себе притяжение Луны не ощущаем, а вот приливы и отливы происходят из-за притяжения Луны и Солнца. А черные дыры обладают настолько большой массой, что притягивают даже свет: проходящие мимо лучи искривляются.
Все тела притягиваются. Возьмем тело, которое лежит на столе. Оно притягивается к Земле, но остается на месте. Чтобы сохранялось состояние покоя, силы, действующие на тело, должны быть уравновешены. Значит должна быть сила, которая уравновешивает силу тяжести. В данном случае это сила, с которой на тело действует стол. Такую силу назвали силой реакции опоры (см. рис. 1).
При этом тело давит на стол. Если мы рассматриваем, как движется тело, нам не важно, что происходит со столом. Но если мы рассматриваем, что произойдет со столом, то нужно будет учесть это воздействие. Силу, с которой тело действует на опору или подвес, назвали весом :
Рис. 1. Взаимодействие гири и стола
Чтобы сдвинуть любое тело, надо приложить силу. В этом и заключается инертность. Если мы попробуем сдвинуть гирю на столе, она до некоторого предела вообще не сдвинется. Значит и здесь возникает некоторая сила, которая уравновешивает наше воздействие. Эта сила - сила трения :
Рис. 2. Сила трения
Что-то похожее происходит, когда мы поднимаем гирю. Она тоже сначала не поднимается, пока наша сила не превзойдет порог: здесь этот порог - сила притяжения Земли.
Если вместо стола будет пружина, она сожмется, и будет также действовать на это тело. Тело действует на стол или пружину, они прогибаются, их молекулы смещаются (см. рис. 3), а при смещении молекул между ними возникают силы отталкивания, препятствующие дальнейшей деформации:
Рис. 3. Сила отталкивания
Отличие в том, что деформация стола чаще всего настолько мала, что ее трудно заметить, а некоторые тела деформируются значительно больше, как пружина или резинка. Мало того, по деформации такого тела можно судить о силе, которая в нем возникла. Это удобно для расчетов, поэтому эту силу изучают отдельно - ее назвали силой упругости .
А если тело положить на поверхность воды? В воде многие предметы становятся легче, значит, есть сила, которая их «приподнимает». Для некоторых тел ее достаточно, чтобы они плавали на поверхности - это и кусок пенопласта или древесины, и корабль. Благодаря этой силе мы вообще можем плавать. Эту силу назвали силой Архимеда .
Конечно, эта классификация достаточно условна. Природа силы реакции опоры и силы упругости одна и та же, но удобно их изучать отдельно. Или рассмотрим такой случай: гиря лежит на опоре и ее тянут вверх за нитку. Гиря действует и на опору, и на нитку - какую из этих сил считать весом и как назвать вторую силу? Важно рассмотреть две силы, на что они действуют, и решать задачу независимо от названий. По большому счету есть только взаимодействие атомов, но для удобства мы придумали несколько моделей.
Можно провести опыт: подвесить на нити два груза на перекладине, чтобы они уравновесились. Если мы поднесём к одному из грузов гирю, система будет вращаться, это значит, что грузик и гиря притягиваются друг к другу. Действует закон всемирного тяготения.
Закон всемирного тяготения
Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения:
Любые два тела притягиваются друг к другу, причем сила притяжения прямо пропорциональна массам этих тел, и обратно пропорциональна расстоянию между их центрами масс. Математически закон всемирного тяготения записывается так:
где m (1,2) - массы взаимодействующих тел, а R - расстояние между их центрами масс. Силы всемирного тяготения также называют гравитационными силами, а коэффициент пропорциональности G в законе всемирного тяготения называют гравитационной постоянной. Она равна .
Закон всемирного тяготения можно использовать для вычисления сил притяжения между любыми телами. Представьте, вы сидите перед монитором. Допустим, масса монитора равна 2 кг, а масса человека - 70 кг, расстояние примем равным 1 м. Тогда сила взаимодействия по формуле получится есть . Это настолько мало, что мы абсолютно не замечаем такое слабое взаимодействие. Коэффициент пропорциональности G в формуле принимает очень малое значение, . Если на земле будет лежать гвоздь и мы поднесем к нему магнит, то гвоздь притянется к маленькому магниту сильнее, чем к планете. Тем не менее, если взять взаимодействие двух небесных тел, например, планет, то в формулу надо будет подставлять огромные массы, тогда сила будет гораздо больше, несмотря на большие расстояния. Да и на движение небольших тел вблизи поверхности Земли, Земля оказывает значительное влияние.
Сила тяжести - это сила, с которой тело притягивается к Земле. Конечно, другие планеты тоже вступают в гравитационное взаимодействие и для них тоже можно вычислить силу тяжести. Гравитационные силы, а значит и сила тяжести, направлены по отрезку, соединяющему центры масс взаимодействующих тел. Мы привыкли направление к центру Земли называть «вниз».
Галилео Галилей опытным путем установил: все тела вблизи поверхности Земли падают с одинаковым ускорением. Рассмотрим случай, когда на тело действует только сила тяжести. Эта сила и дает телу ускорение, по второму закону Ньютона . Дело в том, что если увеличить массу тела , сила тяжести увеличится во столько же раз , и из формулы увидим, что тело будет двигаться с тем же ускорением: То есть для разгона с тем же ускорением более тяжелых тел нужна бόльшая сила, и на них как раз и действует бόльшая сила тяжести. Это называется ускорением свободного падения. Для Земли оно равно примерно 9,8 м/.
Принято обозначать это ускорение буквой «g ». Сама же сила тяжести чаще всего обозначается как F тяжести , или кратко F т . И по ускорению, которое создает сила, можно найти саму силу:
Почему бумага падает медленнее железа?
Мы рассматривали движение тел, на которые действует только сила тяжести. Эта сила сообщает всем телам одинаковое ускорение. Но не всегда действием остальных сил можно пренебречь. Например, при определенной форме тела существенной становится сила сопротивления воздуха. Возьмем железный шарик и скомканный лист бумаги такой же массы. Силы тяжести на них действуют одинаковые, но на бумагу дополнительно действует сопротивление воздуха, которым пренебречь нельзя, и поэтому бумага движется с другим ускорением. Если бросить железо и бумагу в безвоздушном пространстве, то можно снова рассматривать ситуацию, когда на тело действует только сила тяжести, и оба тела упадут с одним и тем же ускорением.
Даже если тело лежит на столе, на него действует та же сила тяжести, которую мы так же рассчитываем по формуле: масса на ускорение свободного падения. Казалось бы, при чем здесь ускорение, когда тело не движется? Так вот, это ускорение, с которым тело двигалось бы, если бы на него действовала только сила тяжести. По этому ускорению можно рассчитать силу, она будет той же: .
«Ускорение свободного падения в разных частях Земли»
Принято считать величину “g”, то есть ускорение свободного падения, величиной постоянной, равной около 9,8 м/с 2 . Но с оговоркой: «для нашей планеты». На других небесных телах так же действуют силы тяготения, но ускорение свободного падения там отличаются от нашего. Например, на Марсе ускорение свободного падения всего 3,71 м/с 2 .
Но на самом деле, даже на одной нашей планете это ускорение будет иметь разные значения в разных местах на Земле.
Известное число 9,8 - это усредненное значение для всей планеты. Наша планета, как известно, не круглая, а немного приплюснута на полюсах. И именно на этих полюсах, ускорение свободного падения немного больше, чем на других широтах: на полюсах g = 9,832 м/с 2 , а на экваторе - 9,78 м/с 2 .
Это объясняется тем, что ускорение свободного падения зависит от расстояния до центра Земли.
Формула, по которой можно найти ускорение: (сила тяжести, действующая на тело, делить на массу этого тела). Сила гравитационного взаимодействия: . - это расстояние от центра Земли до тела, если R - это радиус Земли, а тело находится на высоте h над поверхностью. Разделим силу на массу тела и получим ускорение свободного падения:
Чем больше расстояние, тем меньше ускорение свободного падения. Поэтому в горах оно меньше, чем у поверхности Земли.
Чем больше расстояние от тела до планеты, тем слабее действует на него сила тяжести и тем меньше ускорение свободного падения. Вблизи поверхности можно считать h равным нулю, тогда g будет постоянным и равным . Какую высоту мы еще можем считать «вблизи», а какую уже нет? Точность диктуется целью задачи. Для некоторых задач мы можем считать g постоянным на высотах в сотни километров. Если мы рассматриваем книгу, лежащую на столике в летящем самолете, то нам не так важно, что ускорение свободного падения будет отличаться на несколько сотых . А если мы рассчитываем запуск спутника, нам нужна бόльшая точность, эти несколько сотых нельзя опустить, приходится учитывать даже отличия радиуса Земли на экваторе и на полюсах. Для многих задач, достаточно привычного значения или даже .
Если тело покоится на какой-то поверхности (опоре), то на него действует сила тяжести и сила реакции опоры, и они уравновешиваются.
Сила реакции опоры - это сила, с которой опора действует на тело.
Силы тяжести и реакции опоры приложены к нашему телу и действуют на него. В рассмотренном примере, когда тело лежит на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры равна силе тяжести, и направлена в противоположную сторону, то есть вертикально вверх:
Рис. 4. Сила реакции опоры
Обычно обозначают силу реакции опоры буквой N.
Опора действует на тело, а тело действует на опору (или нить, если оно висит на нити).
Вес тела - это сила, с которой тело действует на опору или подвес:
Рис. 5. Вес тела
Вес тела чаще всего обозначают буквой «Р», и по модулю он равен силе реакции опоры (по третьему закону Ньютона: с какой силой одно тело действует на другое, с такой же силой второе тело действует на первое): P=N.
Если тело покоится на горизонтальной поверхности, на него действуют сила тяжести и сила реакции опоры. Они уравновешиваются, . Тогда и вес равен .
Часто понятие «вес тела» путают с массой тела. Это уже стало нормой для разговорной речи: «взвесить», «сколько весишь», «весы». Вес - это сила, с которой тело действует, а масса - характеристика самого тела, мера инертности. Легко проверить: стоя на весах, мы видим значение массы, которое вычислено по весу. Если немного подпрыгнуть, то цифра изменится. Но ведь масса не поменялась. Это поменялся вес, сила, с которой мы давим на поверхность весов. А на МКС космонавт вообще не давит на весы, его вес равен нулю - и это состояние называется невесомость.
Тело тоже притягивает Землю, но на движение огромной Земли эта сила не влияет, поэтому ее не рассматривают. Прикасаясь к опоре, тело давит на опору своим весом, а опора на тело - с силой реакции опоры. Это вторая пара сил в этой системе. Если мы описываем движение конкретного тела, мы рассматриваем силы, которые действуют на него, например, сила тяжести и сила реакции опоры.
Рассмотрим силу, которая возникает, когда одни тела движутся относительно других, соприкасаясь с ними - силу трения.
Сила трения - сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их перемещению друг относительно друга:
Рис. 6. Сила трения
Если пнуть мяч - он покатится и через какое-то время остановится. Санки, с какой бы высокой горки ни съехали - также остановятся.
Рассмотрим два вида трения. Первое - это когда одно тело скользит по поверхности другого - например, при спуске с горы на санках, его назвали трение скольжения. Второе - когда одно тело катится по поверхности другого, например, мяч по земле, его назвали трение качения.
Обозначают силу трения , и вычисляют по формуле:
где N - сила реакции опоры, с которой мы уже познакомились, а µ - это коэффициент трения между данными двумя поверхностями.
Чем сильнее будут прижаты друг к другу тела, тем сила трения будет больше, то есть сила трения пропорциональна силе реакции опоры.
Трение возникает из-за взаимодействия частиц, из которых состоит вещество. Поверхность не может быть идеально гладкой, всегда есть выступы, шероховатости. Выступающие части поверхностей задевают друг друга и препятствуют движению тела. именно поэтому для движения по гладким (полированным) поверхностям требуется прикладывать меньшую силу, чем для движения по шероховатым.
Всегда ли трение уменьшается при полировке?
Полируя, мы уменьшаем количество и размер неровностей, которые препятствуют относительному движению двух поверхностей. Значит, чем лучше отполированы поверхности, тем лучше они будут скользить друг по другу и тем меньше будет сила трения между ними. Можно ли отполировать так, что сила трения вообще будет равна нулю? В какой-то момент неровности станут настолько незначительными, что в контакт придет огромное количество частиц двух поверхностей, а не только частицы шероховатостей, и эти все частицы будут взаимодействовать и препятствовать движению. Получается, что есть предел, до которого сила трения уменьшается при полировке поверхностей, а затем количество взаимодействий между частицами, а поэтому и сила трения, увеличивается. Поэтому мы иногда замечаем, что слишком гладкие поверхности «слипаются».
Для тел из одних и тех же материалов сила трения при качении будет меньше, чем сила трения скольжения. Люди знали это уже давно, поэтому придумали колесо.
Но какое бы трение ни было, сила трения направлена в сторону, противоположную относительному смещению поверхностей. Причём направлена она вдоль линии, по которой тела соприкасаются.
«Разные виды трения»
Существуют разные виды сил трения.
Например, на столе лежит тяжёлая книга. Для того, чтобы ее сдвинуть, потребуется некоторое усилие. И если на книгу нажать слишком слабо — она не тронется с места. Мы же прикладываем силу, почему нет ускорения? Силу, с которой мы толкаем книгу, уравновешивает сила трения между нижней обложкой книги и столом. Эта сила трения препятствует твёрдым телам приходить в движение. Поэтому она называется силой трения покоя.
Сила трения покоя направлена также против движения — того движения, которое только ещё должно было бы возникнуть:
Рис. 7. Сила трения покоя
Чтобы сдвинуть что-то с места, нужно приложить силу, которая больше максимальной силы трения покоя.
При движении жидкости или газа, отдельные слои этих веществ движутся один относительно другого. Между ними возникают силы внутреннего или вязкого трения.
При небольшой скорости течения, в отсутствие вихрей, течение жидкости будет происходить послойно. То есть, жидкость можно мысленно разделить на параллельные слои, каждый слой имеет свою скорость. Слой, находящийся непосредственно у дна, будет неподвижен. Следующий слой будет «скользить» по неподвижному слою. Затем слой с еще большей скоростью относительно дна, скользящий по предыдущему, и т.д. (см. рис. 8). И таким образом, между более быстрым и более медленным слоями жидкости будет действовать сила вязкого трения. Возникает она из-за взаимодействия атомов и молекул жидкостей и газов, движущихся с разными скоростями: быстрые молекулы будут сталкиваться с медленными, при этом замедляясь.
Рис. 8. Движение воды вблизи стенки сосуда
Почему предметы сдвигаются с рывком?
Когда мы пытаемся что-то сдвинуть, возникает сила трения покоя. Она уравновешивает силу F, которую мы прикладываем, и тело остается на месте. Чем бόльшую силу мы прикладываем, тем бόльшая сила трения покоя возникает. Сила трения покоя не может увеличиваться бесконечно, она имеет предел. Тело сдвинется: сила трения окажется меньше, чем приложенная нами сила F. Когда тело сдвинулось с места, возникает сила трения скольжения. Она немного меньшая, чем максимальная сила трения покоя. То есть в момент сдвига мы приложили силу, равную максимальной силе трения покоя, тело сдвинулось - а сила трения резко уменьшилась. Резче, чем мы можем уменьшить нашу силу F для равновесия. Поэтому в этот момент обычно происходит рывок: для сдвига тела, отрыва, мы прикладываем бόльшую силу, чем нужна потом при движении. Попробуйте одним пальцем сдвинуть книгу на столе на один миллиметр. С первого раза может не получиться, она из-за рывка будет сдвигаться на пару сантиметров.
На все тела, погруженные в жидкость или газ, а в частности в воду, действует выталкивающая сила. Сила направлена вверх, против силы тяжести:
Рис. 9. Выталкивающая сила
Эта сила называется силой Архимеда, в честь древнегреческого физика и математика, открывшего ее.
Сила Архимеда - это выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость (газ) и равная весу вытесненной телом жидкости (газа). Обозначают ее обычно Fархимеда, или Fa.
Для ее вычисления пользуются формулой.
где ρ - это плотность жидкости, g - ускорение свободного падения и V - объем погруженной части тела.
Сила Архимеда равна весу вытесненной жидкости. Это похоже на весы, только противовесом нашему телу служит не груз на второй чаше весов, а вода вокруг тела.
Вес вытесненной воды в состоянии покоя: . Массу вытесненной воды вычисляют через плотность и объем: . Объем вытесненной воды равен объему погруженной в нее части тела, . Если подставить все выражения:
В формуле для силы тяжести () тоже можно выразить массу через плотность, , тогда можно записать: .
Погрузим любое тело в воду и отпустим. На него действует сила тяжести и сила Архимеда. Если сила тяжести больше, то тело начинает двигаться вниз. Когда тело погружено в воду полностью, , сравнение силы тяжести и силы Архимеда сводится к сравнению плотностей тела и жидкости. То есть тело тонет, когда его плотность больше плотности жидкости. А если плотность тела меньше, то тело будет всплывать, пока не покажется из-под поверхности. Тогда объем погруженной части будет уменьшаться, пока сила тяжести не сравняется с силой Архимеда. И тогда тело будет плавать в состоянии равновесия на поверхности.
Точно так же сила Архимеда действует в любой жидкости и газе, в частности в воздухе. Ею пренебрегают, если она мала по сравнению с силой тяжести, действующей на тело. Но, например, гелиевый шарик обладает очень маленькой массой из-за маленькой плотности гелия, поэтому сила тяжести даже меньше, чем архимедова сила, с которой воздух выталкивает шарик. В данном случае учитывают архимедову силу, потому что благодаря ей гелиевый шарик взлетает.
Сила упругости - это сила, возникающая при деформации тела, которая стремится вернуть ему прежние размеры и форму:
Рис. 10. Сила упругости
Чем сильнее мы деформируем тело, чем большую приложим силу, тем больше тело будет сопротивляться деформации, то есть возникнет сила упругости (см. рис. 11). Величина силы упругости зависит от того, насколько удлинилось или сжалось тело, относительно исходного состояния.
Рис. 11. Большая сила упругости при большей деформации
Рассмотрим небольшую деформацию, при которой тело возвращается в исходное состояние. Такую деформацию назвали упругой. Рассмотрим пример: если мы растянули резинку для волос, и она стала длиннее на 3 см, то это называется абсолютным удлинением, это обычно записывают как Δх или Δl.
Силу упругости удобно обозначать F упр, и рассчитывается она по формуле, которая является записью «закона Гука»:
Сила упругости, возникающая при упругой деформации тела, пропорциональна величине деформации.
k - это коэффициент жесткости материала, из которого изготовлено тело, а Δх - это разница между длиной тела до и после деформации ().
Рис.12. Сила упругости
Например, если для резинки , то чтобы растянуть ее на 3 см, нужно приложить силу 15 Н. По этой формуле можно рассчитать модуль силы. Сила направлена противоположно направлению деформации.
Чем мы пренебрегаем при описании взаимодействия тел
Заменим тело точкой - введем модель и назовем ее материальной точкой. При этом мы пренебрегаем тем, куда именно к телу приложена сила. Когда бублик лежит на столе, на каждую его часть действует сила тяжести и сила реакции опоры, но мы можем заменить его точкой и считать, что к ней приложены силы, действующие на бублик. Такая точка опишет движение всего тела, без учета того, куда именно к телу приложена сила.
На каждое тело действует бесконечное множество сил, поэтому учесть их все просто невозможно. Например: ребенок скатывается с горки - влияет ли на него Луна? Как-то влияет: у нее есть масса, находится на некотором расстоянии… Но влияет настолько слабо, что ее можно не учитывать. Если же мы будем решать задачу о полете космического корабля, то нам конечно нужно учесть, с какими силами действуют на него ближайшие космические объекты. Мы часто даже не замечаем, что отбрасываем: всё, кроме того, что считаем существенным для движения тела. Для ребенка на санках это взаимодействие с Землей (сила тяжести) и с поверхностью (сила реакции опоры и сила трения). В некоторых задачах сразу говорится пренебречь какими-то силами, влияниями на тело. Поэтому в зависимости от целей, мы выбираем удобную нам модель, включающую все необходимые силы. Проводя измерения, мы тоже отбрасываем лишнее. Если мы захотим измерить расстояние от дома до школы, мы будем измерять его в километрах, или метрах, если она близко. Но мы ведь не будем измерять его в миллиметрах. А вот при изготовлении ключа, важен каждый миллиметр. Эти границы можно сравнить с точностью записи числа. Например, число Пи для обычных задач мы принимаем равное 3,14. Это правильное значение, но округленное, так как нам не нужна максимальная точность. Ведь если записать Пи = 3,14159, то у ответа поменяется только третий знак после запятой, а это одна тысячная ответа. Таким образом, точность вычислений зависит от цели.
На тело может действовать одновременно несколько таких сил. Мы рассматриваем материальную точку и считаем, что все силы приложены к ней, в таком случае общий результат действия этих сил на тело можно заменить действием одной. Эта сила оказывает на тело такое действие, приводит к такому же результату, к какому приводит действие всех сил, приложенных к телу. Она показывает итоговое действие всех сил, приложенных к телу. Такую силу называют равнодействующей силой и обычно обозначают буквой R.
Рассмотрим силы, которые действуют вдоль одной прямой. Если две силы действуют в одну сторону, то они друг другу «помогают», складываются, равнодействующая равна . А если в противоположные - то, наоборот, «мешают» друг другу, и их действия вычитаются, . Если силы равны, то равнодействующая равна .
Противоположным направлениям мы приписываем противоположные знаки. А перед какой силой ставить минус, или :
Рис. 13. Противоположные силы
Можно для каждой конкретной задачи выбрать направление, которое будем считать положительным, и тогда сколько бы ни было сил, мы просто расставим перед ними плюсы и минусы в зависимости от направлений, и сложим. И если, например, равнодействующая получилась отрицательной, значит она направлена против выбранного направления, и наоборот.
Применим нашу модель, где знак + или - соответствует направлению к закону Гука: . Сила упругости направлена противоположно деформации , значит, нужно поставить знак минус:
Задача
Определите вес человека массой m = 50 кг в лифте, движущемся с ускорением a = 0,8 м/с 2:
а) вверх; б) вниз.
В задаче описано ускоренное движение человека в лифте. Это подчиняется второму закону Ньютона: равнодействующая сила создает ускорение, .
На человека действуют сила тяжести Земли, обозначим ее , и сила реакции опоры, с которой пол лифта действует на человека, обозначим её , она направлена вверх. Силу тяжести легко рассчитать по формуле .
Решим сначала часть а), лифт движется с ускорением вверх
Теперь решим часть б), лифт движется вниз.
В уравнении перед ma поставим знак минус (ускорение направлено против выбранного положительного направления). Запишем:
Задача решена.
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание, передел. - X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
- Перышкин А.В. Физика: учебник 7 класс. - М.: 2006. - 192 с.
- Интернет-портал «files.school-collection.edu.ru» ()
- Интернет-портал «files.school-collection.edu.ru» ()
Домашнее задание
- Объясните с физической точки зрения, для чего в древнем Египте при строительстве пирамид, а именно при перемещении бетонных блоков, использовали бревна.
- Проведите свои собственные наблюдения по действию различных сил в быту и опишите несколько примеров.
В природе существует много разных видов сил: тяготения, тяжести, Лоренца, Ампера, взаимодействия неподвижных зарядов и т.д., но все они в конечном счете сводятся к небольшому числу фундаментальных (основных) взаимодействий. Современная физика считает, что существует в природе лишь четыре вида сил или четыре вида взаимодействий:
1) гравитационное взаимодействие (осуществляется через гравитационные поля);
2) электромагнитное взаимодействие (осуществляется через электромагнитные поля);
3) ядерное (или сильное) (обеспечивает связь частиц в ядре);
4) слабое (отвечает за процессы распада элементарных частиц).
В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными силами, а также с упругими силами и силами трения.
1. Сила всемирного тяготения . Это сила, с которой два материальных тела притягиваются друг к другу. Сила тяготения зависит от расстояния и для двух материальных точек с массами т 1 и т 2 находящихся на расстоянии r друг от друга, выражается равенством
F =G m 1 m 2 /r 2 , (3)
где G - гравитационная постоянная (в СИ G = 6,673 10 -11 м 3 /кг с 2).
2. Сила тяжести . Это постоянная сила, действующая на любое тело, находящееся вблизи земной поверхности. Ясно, что данная сила является частным случаем силы всемирного тяготения, поэтому
F Т = G mМ/R 2 , (4)
где m – масса тела, М и R – масса и радиус Земли. Величина
g = G М/R 2
называется ускорением свободного падения . Тогда
F T = mg . (5)
Сила тяжести, как и величина g, изменяются с изменением широты и высоты над уровнем моря, масса же является для данного тела величиной неизменной. При решении большинства задач полагают g = 9,8 м/с 2 .
Для экспериментального определения массы данного тела можно исходить из равенства (1), куда масса входит как мера инертности и называется, поэтому инертной массой. Однако можно исходить и из равенства (4), куда масса входит как мера гравитационных свойств тела и называется соответственно гравитационной массой. В принципе ни откуда не следует, что инертная и гравитационная массы представляют собой одну и ту же величину. Однако целым рядом экспериментов установлено, что значения обеих масс совпадают с очень высокой степенью точности. Поэтому в механике пользуются единым термином «масса», определяя массу как количественную меру инертности тела и его гравитационных свойств.
3. Вес тела . Это сила P , с которой тело действует на опору или подвес. Не следует путать вес тела и силу тяжести, так как они приложены к разным телам. Кроме того, P = F T = mg только в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения. При решении задач Р, как правило, находится по третьему закону Ньютона.
4. Сила упругости .
Эта сила возникает в результате взаимодействия тел, сопровождающегося их деформацией. Она пропорциональна величине деформации и направлена против деформации.
В частности, для силы упругости пружины
F= k , (7)
где удлинение (или сжатие) пружины, k - коэффициент жесткости пружины (в СИ измеряется в Н/м).
Сила реакции опоры . Направлена по общей нормали к поверхностям соприкасающихся тел в точке их касания и приложена в этой точке (рис. 6а). Когда одна из соприкасающихся поверхностей является точкой (рис. 6, б), то реакция направлена по нормали к другой поверхности.
Рис.6 Рис.7
Сила натяжения нити . направлена вдоль нити к точке ее подвеса (рис.7).
5. Сила трения . Так кратко называют силу трения скольжения, действующую (при отсутствии жидкой смазки) на движущееся тело. Ее модуль определяется равенством
где µ - коэффициент трения, который чаще считают постоянным. N - нормальная реакция. Направлена против движения.
6. Сила трения покоя – это сила, действующая между соприкасающимися телами, находящимися в состоянии покоя, равная по величине и противоположно направленная силе, понуждающей тело к движению.
До возникновения скольжения сила трения покоя может иметь любое направление и принимать любое значение от нуля до некоторого максимального, при котором возникает скольжение: .
Силу трения покоя, равную по модулю внешней силе, при которой начинается скольжение данного тела по поверхности другого, называют максимальной силой трения покоя.
Французские физики Г.Амонтон и Ш.Кулон установили, что: максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры (нормального давления) и не зависит от площади соприкосновения трущихся тел
где m 0 – коэффициент трения покоя, зависит от физической природы соприкасающихся тел и
7. Сила трения качения. При качении тела по поверхности другого возникает особая сила – сила трения качения, которая препятствует качению тела. Сила терния качения при тех же материалах соприкасаемых тел всегда меньше силы терния скольжения. Этим пользуются на практике, заменяя подшипники скольжения шариковыми или роликовыми подшипниками. Кулон опытным путем установил для катящегося цилиндра радиуса R: , где m К – коэффициент трения качения, величина которого уменьшается с увеличением твердости материала и шероховатости его поверхности. Для катящегося обода .
8. Сила вязкого трения . Такая сила, зависящая от скорости, действует на тело при его медленном движении в очень вязкой среде (или при наличии жидкой смазки) и может быть выражена равенством
R= , (8)
где υ - скорость тела, - коэффициент сопротивления.
9. Сила аэродинамического (гидродинамического) сопротивления. Эта сила также зависит от скорости и действует на тело, движущееся в такой, например, среде, как воздух или вода. Обычно ее величину выражают равенством
R=0,5c x Sυ 2 ,
где - плотность среды; S - площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения (площадь миделя), с х - безразмерный коэффициент сопротивления, определяемый обычно экспериментально и зависящий от формы тела и от того, как оно ориентировано при движении.
Упругие силы и силы трения определяются характером взаимодействия между молекулами вещества, которое имеет электромагнитное происхождение. Следовательно, они по своей природе имеют электромагнитные происхождения. Гравитационные и электромагнитные силы являются фундаментальными – их нельзя свести к другим, более простым силам. Упругие силы и силы трения не являются фундаментальными.
2.3. Преобразования Галилея.
Все, что происходит в нашем мире, происходит благодаря воздействию определенных сил в физике. И выучить каждую из них придется если не в школе, то уж в институте точно.
Конечно, вы можете попытаться вызубрить их. Но гораздо быстрее, веселее и интереснее будет просто осознать суть каждой физической силы как она взаимодействует с окружающей средой.
Силы в природе и фундаментальные взаимодействия
Сил существует огромное множество. Сила Архимеда, сила тяжести, сила Ампера, сила Лоренца, Кореолиса, сила трения-качения и др. Собственно, все силы выучить невозможно, так как не все они еще открыты. Но и это очень важно - все без исключения известные нам силы можно свести к проявлению так называемых фундаментальных физических взаимодействий .
В природе существуют 4 фундаментальных физических взаимодействия. Точнее будет сказать, что людям известны 4 фундаментальных взаимодействия, и на данный момент иных взаимодействий не обнаружено. Что это за взаимодействия?
- Гравитационное взаимодействие
- Электромагнитное взаимодействие
- Сильное взаимодействие
- Слабое взаимодействие
Так, сила тяжести - проявление гравитационного взаимодействия. Большинство механических сил (сила трения, сила упругости) являются следствием электромагнитного взаимодействия. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны ядра атома вместе, не давая ядру распасться. Слабое взаимодействие заставляет распадаться свободные элементарные частицы. При этом, электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в электрослабое взаимодействие .
Возможным пятым фундаментальным взаимодействием (после открытия бозона Хиггса ) называют поле Хиггса . Но в этой области все изучено настолько мало, что мы не будем спешить с выводами, а лучше подождем, что скажут нам ученые из ЦЕРНа.
Учить законы физики можно двумя способами.
Первый – тупо выучить значения, определения, формулы. Существенный недостаток этого способа – он вряд ли поможет ответить на дополнительные вопросы преподавателя. Есть и другой немаловажный минус этого метода – выучив таким образом, вы не получите самого главного: понимания. В итоге, заучивание правила/формулы/закона или чего бы там ни было позволяет приобрести лишь непрочные, кратковременные знания по теме.
Второй способ – понимание изучаемого материала. Но так ли легко понять то, что понять (по вашему мнению) невозможно?
Есть, есть решение этой ужасно трудной, но решабельной проблемы! Вот несколько способов того, как выучить все силы в физике (и вообще в любом другом предмете):
На заметку!
Важно помнить и знать все физические силы (ну или выучить весь список их в физике), чтобы избежать неловких недоразумений. Помните, что масса тела – это не его вес, а мера его инертности. Например, в условиях невесомости тела не имеют веса, потому как отсутствует гравитация. А вот если вы захотите сдвинуть тело в невесомости с места, придется воздействовать на него с определенной силой. И чем выше масса тела, тем большую силу придется задействовать.
Если вам удастся представить себе, каким образом вес человека может меняться в зависимости от выбора планеты, вам удастся довольно быстро разобраться с понятием гравитационной силы, с понятиями веса и массы, силой ускорения и прочими физическими силами. Это понимание принесет с собой логическое осознание других происходящих процессов, и в результате вам не придется даже заучивать непонятный материал – вы сможете запоминать его по мере прохождения. Достаточно просто понять суть.
- Чтобы понять электромагнитное воздействие, достаточно будет просто понять, каким образом ток протекает по проводнику и какие при этом образуются поля, как эти поля взаимодействуют руг с другом. Рассмотрите это на простейших примерах, и вам не составит труда разбираться в принципах работы электродвигателя, принципах горения электрической лампочки и пр.
Преподавателя в первую очередь будет волновать то, насколько хорошо вы разбираетесь в изученном материале. И не так уж важно, будете ли вы помнить назубок все формулы. А в случае решения контрольных, лабораторных, задач, практических работ или купить РГР вам всегда смогут помочь наши специалисты , сила которых таится в знаниях и многолетнем практическом опыте!
Законы Ньютона
I закон Ньютона
Существуют такие системы отсчета, которые называются инерциальными, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела или действие других сил скомпенсированно.
II закон Ньютона
Ускорение тела прямопропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе:
III закон Ньютона
Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению.
Виды сил
Силой упругости
называют силу, которая возникает в теле при изменении его формы или размеров. Это происходит, если тело сжимают, растягивают, изгибают или скручивают. Например, сила упругости возникла в пружине в результате её сжатия и действует на кирпич.
Сила упругости всегда направлена противоположно той силе, которая вызвала изменение формы или размеров тела. В нашем примере упавший кирпич сжал пружину, то есть подействовал на неё с силой, направленной вниз. В результате в пружине возникла сила упругости, направленная в противоположную сторону, то есть вверх. Мы можем это утверждать, наблюдая отскок кирпича.
Закон Гука:
сила упругости возникающая в деформированном тела прямо пропорциональна вектору деформации и противоположна ему по направлению.
где k - коэффициент упругости, L-величина упругой деформации.
Силой тяготения называют силу, с которой все тела в мире притягиваются друг к другу (см. § 2-а). Разновидностью силы тяготения является сила тяжести – сила, с которой тело, находящееся вблизи какой-либо планеты, притягивается к ней. Например, на ракету, стоящую на Марсе, тоже действует сила тяжести.
Сила тяжести всегда направлена к центру планеты. На рисунке показано, что Земля притягивает мальчика и мяч с силами, направленными вниз, то есть к центру планеты. Как видите, направление «вниз» различно для различных мест на планете. Это будет справедливо и для других планет и космических тел. Более подробно силу тяжести мы изучим в § 3-г.
Силой трения
называют силу, препятствующую проскальзыванию одного тела по поверхности другого. Рассмотрим рисунок. Резкое торможение автомобиля всегда сопровождается «визгом тормозов». Этот звук возникает из-за проскальзывания шин по асфальту. При этом шины сильно стираются, так как между колёсами и дорогой действует сила трения, препятствующая проскальзыванию.
Сила трения всегда направлена противоположно направлению (возможного) проскальзывания рассматриваемого тела по поверхности другого. Например, при резком торможении автомобиля его колёса проскальзывают вперёд, значит, действующая на них сила трения о дорогу направлена в противоположную сторону, то есть назад.
Сила трения возникает не только при скольжении одного тела по поверхности другого. Существует также сила трения покоя. Например, отталкиваясь ботинком от дороги, мы не наблюдаем его проскальзывания. При этом возникает сила трения покоя, благодаря которой мы движемся вперёд. В отсутствие этой силы мы бы не смогли сделать и шага, как, например, на льду.
Силой Архимеда (или выталкивающей силой) называют силу, с которой жидкость или газ действуют на погруженное в них тело – выталкивают его. На рисунке показано, что вода действует на пузырьки выдыхаемого рыбой воздуха – выталкивает их на поверхность. Вода также действует на рыбу и камни – она уменьшает их вес (силу, с которой камни давят на дно).
Сила сопротивления.
Сила, действующая на тело при его поступательном движении в жидкости или газе, называется силой сопротивления.
Сила сопротивления зависит от скорости тела относительно внешней среды и направлена противоположно вектору скорости тела.
где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости тела относительно среды, V - модуль скорости тела относительно среды.
Сила гравитационного притяжения.
Гравитационное взаимодействие между телами осуществляется при посредстве гравитационного поля.
Гравитационные силы направлены вдоль одной прямой, соединяющей взаимодействующие точки, т.е. являются центральными силами.
Закон всемирного тяготения:
Между двумя материальными точками действуют силы взаимного притяжения, пропорциональные произведению масс точек, обратно пропорциональные квадрату расстояния между ними.
где G = 6,67 · 10^-11 (Н м^2) / кг^2 - гравитационная постоянная, m1 , m2 - гравитационные массы материальных точек, R - расстояние между материальными точками.
Закон всемирного тяготения так же справедлив для однородных шарообразных тел. В этом случае R - расстояние между центрами тяжести тел.
