Сила

Тема: Механические явления
7 класс

Динамика изучает причины изменения характера движения тел (в том числе возникновение движения), часто рассматривая их движение в инерциальных системах отсчета.

Динамика — это раздел механики, в котором в том числе изучаются три закона Ньютона. Они лежат в основе классической динамики, которая оказывается неприменимой для элементарных частиц и скоростей, близких к скорости света.

Динамика решает такие задачи, как по движению тел определить действующие на них силы, так и как по действующим на тело силам определить характер его движения.

Первый закон Ньютона. Существуют системы отсчета, относительно которых свободное точечное тело покоится или движется равномерно и прямолинейно. Эти системы отсчета называют инерциальными.

Тема: Механические явления
9 класс

Все тела притягиваются друг к другу — это закон всемирного тяготения. Силы, с которыми тела притягиваются вычисляются по формуле:

F = G × m1m2 ÷ R2

Здесь G — это гравитационная постоянная, равная 6,67 × 10-11 Н · м2/кг2. Она численно равна силе, с которой одно тело массой 1 кг притягивает другое тело с массой 1 кг, находящееся от него на расстоянии 1 м. Как мы видим, это очень маленькая сила. Поэтому мы замечаем притяжение только к очень массивным телам, космического масштаба.

Тема: Механические явления
7 класс

Сила Архимеда, или выталкивающая сила, действует не только в жидкостях (например, воде), но и в газах (например, воздухе). Но из-за того, что плотность воздуха (1,29 кг/м3) намного меньше чем воды (1000 кг/м3), выталкивающая сила здесь незначительна.

Именно поэтому многие предметы не плавают в воздухе, как в воде. Сила тяжести, действующая на тела, оказывается сильнее выталкивающей силы воздуха.

Однако, как и в воде, чем больший объем занимает тело при неизменной массе, то есть чем больше понижается его средняя плотность, тем больше на него будет действовать выталкивающая сила.

Тема: Механические явления
7 класс

Если вы построите деревянный плот, то сможете плыть на нем. Если же вы построите плот из железа или какого-нибудь другого металла, то он пойдет ко дну. Причина того, что деревянный плот не тонет, а железный тонет, кроется в разной плотности дерева и железа. Дерево менее плотный материал, чем вода, поэтому выталкивающая сила воды больше силы тяжести, действующей на деревянный плот (или больше его веса). Железо плотнее воды, и ее выталкивающая сила не способна преодолеть вес железного плота.

В прежние времена корабли и лодки строили в основном из дерева. Сейчас же они преимущественно сделаны из металлов. В чем же фокус? Почему корабли не тонут? Может быть внутри корабля много дерева, и оно «побеждает» железо?

Тема: Механические явления
7 класс

Как известно, некоторые тела плавают на поверхности воды. Другие тела тонут. Бывают даже тела, которые плавают в толще воды, не всплывая на поверхность, но и не опускаясь на дно.

Причина такого разного поведения тел кроется в их плотности. Если плотность тела больше плотности жидкости, то тело уходит на дно. Если плотность такая же как у жидкости, то тело будет плавать полностью погрузившись в жидкость. А вот если плотность тела меньше, чем плотность жидкости, то тело будет плавать на поверхности.

Тема: Механические явления
7 класс

Знаменитая легенда о том, как нагой Архимед бежал по улице и кричал «Эврика!» («нашел!»), как раз повествует об открытии им того, что выталкивающая сила воды равна по модулю весу вытесненной им воды, объем которой равен объему погруженного в нее тела. Это открытие названо законом Архимеда.

В III веке до нашей эры царь древнегреческого города Сиракузы попросил проверить ученого Архимеда, из чистого ли золота сделал мастер ему корону. Проблема здесь вот в чем. Когда царь заказывал корону, он дал мастеру определенную массу золота. Когда мастер вернул золото в виде короны, то оно весило столько, сколько и масса данного золота. Но ведь мастер мог схитрить.

Тема: Механические явления
7 класс

Выталкивающую силу, или силу Архимеда, можно вычислить. Особенно легко это сделать для тела, стороны которого прямоугольники (прямоугольного параллелепипеда). Например, такую форму имеет брусок.

Поскольку боковые силы давления жидкости можно не учитывать, так как они взаимно уничтожаются (их равнодействующая равна нулю), то рассматриваются только силы давления воды, действующие на нижнюю и верхнюю поверхности. Если тело не полностью погружено в воду, то есть только сила давления воды, действующая снизу. Она единственная, которая создает выталкивающую силу.

Давление жидкости на глубине h определяется формулой:

p = ρgh

Сила давления определяется формулой:

F = pS

Тема: Механические явления
7 класс

В воде некоторые тела не тонут. Если попытаться их силой переместить в толщу воды, то они все-равно всплывут на поверхность. Другие тела погружаются в воду, но почему-то становятся легче.

В воздухе на тела действует сила тяжести. Она никуда не девается и в воде, оставаясь прежней. Но если кажется, что вес тела уменьшается, значит силе тяжести противодействует, то есть действует в противоположном направлении, еще какая-то сила. Это выталкивающая сила, или архимедова сила (сила Архимеда).

Выталкивающая сила возникает в любой жидкой или газовой среде. Однако в газах она намного меньше, чем в жидкостях, так как их плотность намного меньше. Поэтому при решении ряда задач выталкивающую силу газов не учитывают.

Тема: Механические явления
7 класс

Когда одно тело давит на поверхность другого, то оно оказывает на него силу, т. е. силу давления. В свою очередь, тело, на которое давит другое тело, испытывает действие этой силы, т. е. давление.

Когда человек стоит на той или иной поверхности, то поверхность испытывает давление от веса человека (как известно, вес — это сила). Когда человек вбивает гвоздь в деревянную дверь, то дверь через гвоздь испытывает давление от силы ударов человека.

Из данных примеров можно сделать вывод, что сила давления направлена перпендикулярно поверхности, к которой прикладывается. У силы есть направление.

Тема: Механические явления
7 класс

Выделяют три вида сил трения: трение скольжения, трение качения и трение покоя.

Сила трения скольжения возникает, когда одно тело перемещается по поверхности другого. Чем больше вес тела, и чем больше коэффициент трения между данными поверхностями (коэффициент зависит от материала, из которого сделаны поверхности), тем больше сила трения скольжения.

Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. При движении брусок, лежащий на своей большой по площади грани, будет иметь такую же силу трения скольжения, как если его положить на самую маленькую грань.

Тема: Механические явления
7 класс

Если брусок тянут с помощью динамометра с постоянной скоростью, то динамометр показывает модуль силы трения скольжения (Fтр). Здесь сила упругости пружины динамометра уравновешивает силу трения скольжения.

С другой стороны, сила трения скольжения зависит от силы нормальной реакции опоры (N), которая возникает в следствие действия веса тела. Чем вес больше, тем больше сила нормальной реакции. И чем больше сила нормальной реакции, тем больше сила трения. Между этими силами существует прямая пропорциональная зависимость, которую можно выразить формулой:

Fтр = μN

Тема: Механические явления
7 класс

Когда говорят о равнодействующей, то имеют в виду силу, которая равна действию двух или более сил, одновременно приложенных к телу.

Когда на тело действует несколько сил, то их совместный эффект может быть различным, он зависит как от направления разных сил, так и от их числовых значений. В любом случае всегда можно найти одну равнодействующую им силу.

Например, на батут положили кирпич. На кирпич действуют две силы — сила тяжести и сила упругости батута. В момент, когда кирпич только положили, сила тяжести была больше, чем сила упругости, и кирпич двигался вниз. Как только силы сравнялись, кирпич остановился.

Тема: Механические явления
7 класс

Чем большей деформации подвергается тело, тем значительней в нем возникает сила упругости. Это значит, что деформация и сила упругости взаимосвязаны, и по изменению одной величины можно судить об изменении другой. Так, зная деформацию тела, можно вычислить возникающую в нем силу упругости. Или, зная силу упругости, определить степень деформации тела.

Если к пружине подвешивать разное количество гирек одинаковой массы, то чем больше их будет подвешено, тем сильнее пружина растянется, то есть деформируется. Чем больше растянута пружина, тем большая в ней возникает силы упругости. Причем опыт показывает, что каждая следующая подвешенная гирька увеличивает длину пружины на одну и туже величину.

Тема: Механические явления
7 класс

Представим себе пружину, которую никто не трогает, и ничто на ней не подвешено. Если пренебречь ее весом, то можно сказать, что она не действует ни на какие тела никакой силой. Однако если пружину растянуть или сжать, то мы почувствуем силу, направленную против наших усилий. Эта сила будет «пытаться» вернуть пружину в исходное состояние. Что это за сила, и почему она возникает?

Тема: Механические явления
7 класс

Тела не изменяют скорости и направления своих движений, не начинают двигаться или останавливаться просто так, без причины. Для того, чтобы это происходило, тела должны подействовать друг на друга. Мерой действия одного тела на другое является сила. Можно условно сказать, что сила отвечает на вопрос «как одно тело подействовало на другое?».

Примеров взаимодействия тел множество. Удар человека ногой по мячу, падение яблока с яблони на траву, сжатие пружины в каком-нибудь механизме, столкновение движущихся предметов и многое другое. В любом случае в результате этих взаимодействий тела изменяют свои скорости и даже направления движений.

Подписаться на Сила