Разделы сайта
Выбор редакции:
- Пять факторов благополучия от компании IPSEN
- Анализ "над пропастью во ржи" сэлинджера
- География южной америки Материк южная америка
- Каковы масштабы "сталинских репрессий"
- Предмет и методология психологии и педагогики Методы педагогической психологии таблица
- Народничество и марксизм в россии
- Как помочь ребёнку выучить английский язык Как выучить английский алфавит быстро и легко - Изучение английского
- Современные наукоемкие технологии
- Московская детская железная дорога
- Домашнее образование или обычная школа?
Реклама
Понятие силы. Основные виды механических сил Какие есть физические силы |
Физика насчитывает четыре вида фундаментальных взаимодействий. Два из них – гравитационное и электромагнитное имеют бесконечный радиус действия и проявляют себя как в макро-, так и в микромире. Еще два – сильное (ядерное) и слабое (отвечает за радиоактивный распад) вследствие малости радиуса действия проявляют себя только в микромире, «спрятавшись» внутри ядра атома, и никак себя не проявляет в макромире. Все механические взаимодействия сводятся к трем видам: силе гравитационной (тяжести), силе упругой и силе трения. Силы упругая и трения имеют электромагнитную природу: все тела состоят из атомов, в состав которых входят электрически заряженные частицы. Гравитационное взаимодействие выражает закон всемирного тяготения : G
– гравитационная
постоянная, она введена для согласования
единиц измерения величин в обеих частях
формулы, в СИ
G
= 6,67 . 10 -11 Н. м 2 /кг 2
= 6,67 . 10 -11 м 3 /(кг. с 2),т
1
ит
2 –
массы материальных точек,r
– расстояние между ними. Закон в форме
(2.3.1) применим также для вычисления сил
тяготения между материальной точкой
и телом шарообразной формы, или двух
тел шарообразной формы. В этом случаеr
– расстояние от
м.т. до центра шара, соответственно,
между центрами шаров. Сила тяготения
направлена вдольr
.
Масса, фигурирующая в законе всемирного
тяготения, называется массой гравитационной
или тяготеющей в отличие от массы
инертной, измеряющей способность тела
сопротивляться изменению состояния
под воздействием другого тела.
Экспериментально установлено, что эти
массы равны друг другу (Р. Этвеш, 1894 г.).
Этот опытный факт получил название
принципа эквивалентности и лежит в
основе общей теории относительности
Эйнштейна (теории тяготения). Из принципа
эквивалентности, в частности, следует,
что сила тяготения со стороны одного
тела сообщает всем другим телам одинаковое
ускорение независимо от их масс.
Например, все тела притягиваются к
земле, действующая на них сила тяготения
называетсясилой тяжести
, определим
ее, используя формулу (2.3.1): (2.3.2) Из рассмотренного понятно, что на разных планетах сила тяжести и сообщаемое ей ускорение свободного падения различны. Например, сила тяжести на Луне почти в 6 раз меньше, чем на Земле, а по мере удаления космического путешественника от поверхности Земли действующая на него сила тяжести уменьшается. Сила тяжести является причиной того, что отсутствие опоры (подвеса) вызывает падение тела. Сила, действующая со стороны опоры (подвеса), называется реакцией опоры и направлена всегда перпендикулярно поверхности опоры к телу, т.е. от опоры. Понятно, почему вертикальная поверхность не может служить опорой. Весом тела называется сила, с которой тело давит на опору или тянет подвес, удерживающий его от падения на землю. В соответствии с третьим законом Ньютона вес и реакция опоры (сила действия и сила противодействия) равны друг другу. Понятие невесомости означает отсутствие этих сил, в частности, стоит нам подпрыгнуть, чтобы оторваться от опоры, как мы попадаем в состояние невесомости. В течение всего времени движения, пока мы вновь не приземлимся на опору, сила тяжести не перестает действовать, замедляя движение вверх и ускоряя движение вниз, а вот вес отсутствует. Космонавты в космическом корабле, движущемся с выключенными двигателями, также находятся в состоянии невесомости. Зато при разгоне корабля они испытывают перегрузки, когда вес значительно превышает силу тяжести: реакция опоры должна не только компенсировать силу тяжести, прижимающую космонавта к сиденью, но и сообщить ускорение, направленное от земли. Впрочем, с подобными перегрузками встречаются не только космонавты. Сила упругости возникает в упруго
деформированном теле и противодействует
внешней деформирующей
силе. Деформации, т.е. изменение расстояний
между точками тела в результате внешнего
воздействия, называются упругими, если
они исчезают после снятия воздействия.
Упругими, как правило, бывают только
малые деформации. Примером служит
упругая деформация сжатой или растянутой
пружины. На рис.7 а) показана недеформированная
пружина, на рис.7 б) эта же пружина
растянута внешней силойна величинуx
, в
результате в пружине возникает F = - kx (2.3.3) k – коэффициент упругости (жесткость), постоянная для данного тела величина, в СИ измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Знак минус указывает на противоположность направлений упругой силы и деформации. Сила трения препятствует движению тела. Различают трение сухое и трение жидкое. Сила сухого трения возникает между твердыми телами, контактирующими друг с другом вдоль некоторой поверхности, и вызвана тем, что шероховатости поверхности одного тела, цепляясь за шероховатости поверхностидругого тела, препятствуют их скольжению друг относительно друга. Рис. 8 иллюстрирует рассматриваемую ситуацию: тело 1 движется со скоростьюпо поверхности тела 2. Опыт показывает, что сила трения скольженияF тр пропорциональна реакции опорыN и направлена в сторону, противоположную скорости: F тр = N (2.3.4) - коэффициент трения, безразмерная величина. Его значение зависит от материалов трущихся поверхностей, качества их обработки, загрязненности и обычно считается приблизительно постоянным для двух конкретных тел. В действительности, при стремлении скорости к нулю, отмечается некоторое возрастание силы трения до значенияF 0 . На рис. 9 приведен график модуля силы трения скольжения от величины скорости для движения, изображенного на рис.8. Чтобы покоящееся тело 1 пришло в движение, к нему надо приложить силу, чуть превышающую F 0 . Если внешняя сдвигающая силаF < F 0 , то тело 1 останется неподвижным. Это значит, что внешняя сила не в состоянии преодолеть трение, и она уравновешивается силой трения покояF пок . Из законов Ньютона следует, что сила трения покоя численно равна и противоположно направленаF . Из сказанного ясно, что 0 F пок . F 0 . Для максимальной силы трения покоя иногда пользуются коэффициентом трения покоя 0 в формуле: F 0 = 0 N (2.3.5) Отметим, что формула (2.3.5) и 0 имеют смысл только применительно к максимальной силе трения покоя. Трение жидкое или вязкое возникает при движении слоев жидкости или газа друг относительно друга. Оно встречается при движении твердого тела в жидкости или газе, а также при наличии жидкой (вязкой) смазки между трущимися поверхностями твердых тел. Особенностью жидкого трения является отсутствие трения покоя. Вам, вероятно, приходилось наблюдать, что тяжелое бревно в воде даже ребенок перемещает без труда, тогда как это же бревно, лежащее на суше, не всегда может сдвинуть даже сильный мужчина. Еще отличительной особенностью вязкого трения является возрастание силы трения с увеличением скорости, причем, для небольших скоростей эта зависимость линейная, а при больших скоростях она становится квадратичной. С силой вязкого трения мы встречаемся, плавая и ныряя в воде, а также в ветреную погоду. Отметим, что действие на тело нескольких сил можно заменить одной. Она называется равнодействующей и равна векторной сумме всех действующих на тело сил: (2.3.6) Формула
(2.3.6) есть выражение принципа суперпозиции,
т.е. принципа независимого сложения.
Этот же принцип позволяет одну силу
представить в виде суммы ее проекций,
например:
В природе существует четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые. Гравитационные силы, или силы тяготения, действуют между всеми телами. Но эти силы заметны, если хотя бы одно из тел имеет размеры, соизмеримые с размерами планет. Силы притяжения между обычными телами настолько малы, что ими можно пренебречь. Поэтому гравитационными можно считать силы взаимодействия между планетами, а также между планетами и Солнцем или другими телами, имеющими очень большую массу. Это могут быть звёзды, спутники планет и т.п. Электромагнитные силы действуют между телами, имеющими электрический заряд. Ядерные силы (сильные) являются самыми мощными в природе. Они действуют внутри ядер атомов на расстояниях 10 -13 см. Слабые силы , как и ядерные, действуют на малых расстояниях порядка 10 -15 см. В результате их действия происходят процессы внутри ядра. Механика рассматривает гравитационные силы, силы упругости и силы трения. Гравитационные силыГравитация описывается законом всемирного тяготения. Этот закон был изложен Ньютоном в середине XVII в. в работе «Математические начала натуральной философии». Гравитацией называют силу тяготения, с которой любые материальные частицы притягиваются друг у другу. Сила, с которой материальные частицы притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними . G – гравитационная постоянная, численно равная модулю силы тяготения, с которой тело, имеющее единичную массу, действует на тело, имеющее такую же единичную массу и находящееся на единичном расстоянии от него. G = 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , или Н·м²·кг −2 . На поверхности Земли сила гравитации (сила тяготения) проявляется в виде силы тяжести . Мы видим, что любой предмет, брошенный в горизонтальном направлении, всё равно падает вниз. Падает вниз также и любой предмет, подброшенный вверх. Происходит это под действием силы тяжести, которая действует на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли. Сила тяжести действует на тела и на поверхности других астрономических тел. Эта сила всегда направлена вертикально вниз. Под действием силы тяжести тело движется к поверхности планеты с ускорением, которое называется ускорением свободного падения . Ускорение свободного падения на поверхности Земли обозначается буквой g . F t = mg , следовательно, g = F t / m g = 9, 81 м/с 2 на полюсах Земли, а на экваторе g = 9,78 м/с 2 . При решении простых физических задач величину g принято считать равной 9,8 м/с 2 . Классическая теория тяготения применима только для тел, имеющих скорость намного ниже скорости света. Силы упругостиСилами упругости называются силы, которые возникают в теле в результате деформации, вызывающей изменение его формы или объёма. Эти силы всегда стремятся вернуть тело в его первоначальное положение. При деформации происходит смещение частиц тела. Сила упругости направлена в сторону, противоположную направлению смещения частиц. Если деформация прекращается, сила упругости исчезает. Английский физик Роберт Гук, современник Ньютона, открыл закон, устанавливающий связь между силой упругости и деформацией тела. При деформации тела возникает сила упругости, прямо пропорциональная удлинению тела, и имеющая направление, противоположное перемещению частиц при деформации. F = k ∆ l , где к – жёсткость тела, или коэффициент упругости; ∆ l – величина деформации, показывающая величину удлинения тела под воздействием сил упругости. Закон Гука действует для упругих деформаций, когда удлинение тела мало, а тело восстанавливает свои первоначальные размеры после того, как исчезают силы, вызвавшие эту деформацию. Если деформация велика, и тело не возвращается в свою исходную форму, закон Гука не применяется. При очень больших деформациях происходит разрушение тела. Силы тренияСила трения возникает, когда одно тело движется по поверхности другого. Она имеет электромагнитную природу. Это следствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. Направление силы трения противоположно направлению движения. Различают сухое и жидкое трение. Сухим называют трение, если между телами нет жидкой или газообразной прослойки. Отличительная особенность сухого трения – трение покоя, которое возникает при относительном покое тел. Величина силы трения покоя всегда равна величине внешней силы и направлена в противоположную сторону. Сила трения покоя препятствует движению тела. В свою очередь, сухое трение разделяется на трение скольжения и трение качения . Если величина внешней силы превышает величину силы трения, то в этом случае появится проскальзывание, и одно из контактирующих тел начнёт поступательно перемещаться относительно другого тела. А сила трения будет называться силой трения скольжения . Её направление будет противоположно направлению скольжения. Сила трения скольжения зависит от силы, с которой тела давят друг на друга, от состояния трущихся поверхностей, от скорости движения, но не зависит от площади соприкосновения. Сила трения скольжения одного тела по поверхности другого вычисляется по формуле: F тр. = k · N , где k – коэффициент трения скольжения; N – сила нормальной реакции, действующая на тело со стороны поверхности. Сила трения качения возникает между телом, которое перекатывается по поверхности, и самой поверхностью. Такие силы появляются, например, при соприкосновении шин автомобиля с дорожным покрытием. Величина силы трения качения вычисляется по формуле где F t – сила трения качения; f – коэффициент трения качения; R – радиус катящегося тела; N – прижимающая сила. ОПРЕДЕЛЕНИЕ Сила – это векторная величина, являющаяся мерой действия на данное тело других тел или полей, в результате которого происходит изменение состояния данного тела. Под изменением состояния в данном случае понимают изменение или деформацию. Понятие силы относится к двум телам. Всегда можно указать тело, на которое действует сила, и тело, со стороны которого она действует. Сила характеризуется:
Модуль и направление силы не зависят от выбора . Единица измерения силы в системе Си – 1 Ньютон . В природе нет материальных тел, находящихся вне воздействия на них других тел, а, следовательно, все тела находятся под воздействием внешних или внутренних сил. На тело одновременно может действовать несколько сил. В этом случае справедлив принцип независимости действия: действие каждой силы не зависит от присутствия или отсутствия других сил; совместное действие нескольких сил равно сумме независимых действий отдельных сил. Равнодействующая силаДля описания движения тела в этом случае пользуются понятием равнодействующей силы. ОПРЕДЕЛЕНИЕ Равнодействующая сила – это сила, действие которой заменяет действие всех сил, приложенных к телу. Или, другими словами, равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равна векторной сумме этих сил (рис.1). Рис.1. Определение равнодействующей сил Так как движение тела всегда рассматривается в какой-либо системе координат, удобно рассматривать не саму силу, а ее проекции на координатные оси (рис.2, а). В зависимости от направления силы ее проекции могут быть как положительными (рис.2,б), так и отрицательными (рис.2,в). Рис.2. Проекции силы на координатные оси: а) на плоскости; б) на прямой (проекция положительна); Рис.3. Примеры, иллюстрирующие векторное сложение сил Мы часто наблюдаем примеры, иллюстрирующие векторное сложение сил: лампа висит на двух тросах (рис.3, а) – в этом случае равновесие достигается за счет того, что равнодействующая сил натяжения компенсируется весом лампы; брусок соскальзывает по наклонной плоскости (рис.3, б) – движение возникает за счет равнодействующей сил трения, тяжести и реакции опоры. Знаменитые строки из басни И.А. Крылова «а воз и ныне там!» — также иллюстрация равенства нулю равнодействующей трех сил (рис.3, в). Примеры решения задачПРИМЕР 1
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 взаимодействияСил 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?
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.
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! Чтобы понять, стоит ли продолжать писать короткие этюды, объясняющие буквально на пальцах разные физические явления и процессы. Результат развеял мои сомнения. Продолжу. Но чтобы подойти к довольно сложным явлениям придется делать отдельные последовательные серии постов. Так, чтобы дойти до рассказа об устройстве и эволюции Солнца и других типов звезд придется начать с описания типов взаимодействия между элементарными частичами. С этого и начнем. Без формул. |
Популярное:
Окружающий мир тетрадь 2 ч 1 кл |
Новое
- Анализ "над пропастью во ржи" сэлинджера
- География южной америки Материк южная америка
- Каковы масштабы "сталинских репрессий"
- Предмет и методология психологии и педагогики Методы педагогической психологии таблица
- Народничество и марксизм в россии
- Как помочь ребёнку выучить английский язык Как выучить английский алфавит быстро и легко - Изучение английского
- Современные наукоемкие технологии
- Московская детская железная дорога
- Домашнее образование или обычная школа?
- Моделирование инновационного развития Моделирование как универсальный метод изучения инновационных процессов