Физика

Введение

 

Для того чтобы тело покоилось или двигалось равномерно и прямолинейно, на него либо вообще не нужно действовать, либо действовать так, чтобы суммарное действие всех тел было скомпенсировано. Настало время разобраться, что должно происходить для того, чтобы тело начало изменять скорость, то есть приобрело ускорение. Для этого понадобится вспомнить некоторые физические величины, с которыми мы сталкивались на уроках физики в предыдущих классах.

 

 

Масса, сила. Второй закон Ньютона

 

 

Как известно, скорость тела меняется только, если на него действует другое тело. Например, свободное падение грузика в результате действия Земли на него. При падении скорость увеличивается, а значит, её изменение обусловлено этим действием (рис. 1).

 

Рис. 1. Свободное падение

Но при этом меняется скорость и второго тела. Попробуйте оттолкнуться на льду от товарища, стоящего рядом. Вы заметите, что ваш товарищ тоже начнет двигаться. Тела взаимодействуют. Одностороннего действия не бывает. 

Для характеристики взаимодействия тел необходимо ввести физическую величину, такой величиной является сила.

Сила – это векторная величина, которая характеризует действие одних тел на другие (взаимодействие тел). Сила – это мера взаимодействия. Единицей измерения силы в системе СИ является ньютон.

– сила

 – Н (ньютон)

Так как у тела появляется ускорение в результате действия силы, то необходимо установить связь между ускорением, которое приобрело тело, и силой, вызвавшей это ускорение.

Если к тележке, на которой установлена специальная конструкция с подвешенным грузиком (рис. 2), отклоняющемся при ускоренном движении тележки, прикладывать силы различной величины, то можно заметить, что отклонение грузика увеличится при увеличении приложенной силы. То есть ускорение, которое тело приобретает в результате действия на него силы, прямо пропорционально величине этой силы  (рис. 3). Ускорение направлено туда же, куда и сила .

Рис. 2. Изучение зависимости между силой и ускорением тела

Рис. 3. Ускорение, которое тело приобретает в результате действия на него силы, прямо пропорционально величине этой силы

Ускорение также зависит от массы тела.

Если менять массу тележки (рис. 4), к которой прикладывается сила постоянной величины, то можно заметить, что отклонение грузика уменьшается при увеличении массы. То есть ускорение обратно пропорционально массе тела.

Рис. 4. Ускорение, которое тело приобретает в результате действия на него силы, обратно пропорционально массе этого тела

Второй закон Ньютона объединяет два вывода, полученных выше.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое телом в результате действия на него силы F, прямо пропорционально величине этой силы и обратно пропорционально массе тела.

Если на тело действуют несколько сил, то находят равнодействующую этих сил, то есть некую общую суммарную силу, обладающую определенным направлением и числовым значением. То есть фактически все случаи приложения различных сил в конкретный момент времени можно свести к действию одной равнодействующей силы.

Равнодействующей называют такую силу, которая сообщала бы телу такое же ускорение, как и векторная сумма всех сил, действующих на тело.

Таким образом, второй закон Ньютона можно сформулировать так: равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна произведению массы тела на приобретаемое в результате действия этих сил ускорение.

 

 

---

Виды взаимодействия в физике

В природе существуют четыре вида взаимодействия.

1. Гравитационное (сила тяготения) – это взаимодействие между телами, которые обладают массой. Существенным оно является в масштабах космических тел. Например, мы ощущаем свое притяжение к Земле, так как она обладает огромной массой, но не ощущаем притяжение к столу, к стулу и другим телам со сравнительно небольшой массой.

2. Электромагнитное. В состав любого атома входят заряженные частицы, следовательно, такое взаимодействие – фундаментальное и мы с ним встречаемся всегда и везде. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за такие механические силы, как сила трения (рис. 5) и сила упругости.

Рис. 5. Природа силы трения

При увеличении межмолекулярного расстояния силы межмолекулярного притяжения и отталкивания уменьшаются – только силы притяжения уменьшаются медленнее, чем силы отталкивания – поэтому возникают суммарные силы упругости , которые направлены в сторону межмолекулярных сил притяжения (рис. 6).

Рис. 6. Природа силы упругости

По сравнению с гравитационным электромагнитное взаимодействие значительно сильнее, но, в отличие от первого, справедливо для тел, обладающих электрическим зарядом.

3. Сильное. Данное взаимодействие было открыто около 100 лет назад. Именно тогда ученые задумались, каким образом протоны, которые заряжены положительно и входят в состав ядра, удерживаются там (рис. 7), ведь одноименно заряженные тела должны отталкиваться. Сильное взаимодействие удерживает протоны в ядре. Это взаимодействие короткодействующее, то есть действует на расстоянии порядка размера ядра.

Рис. 7. Сильное взаимодействие удерживает протоны в ядре

4. Слабое. Такое взаимодействие ответственно за некоторые виды взаимодействия среди элементарных частиц, за некоторые виды β-распада и за другие процессы, происходящие внутри атома, атомного ядра (рис. 8).

Рис. 8. Альфа-, бета- и гамма-распады

Многие физики полагают, что в природе существует одно общее взаимодействие, а вышеперечисленные взаимодействия – это лишь его проявления, и пытаются получить так называемую единую теорию поля, в которой все эти четыре вида будут сводиться к одному. На данный момент удалось объединить электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие.

---

 

---

Второй закон Ньютона в НСО. Центробежная сила

Законы Ньютона выполняются в инерциальных системах отсчета, но можно добиться того, что эти законы будут выполняться и в неинерциальных системах отсчета (НСО).

Ученые договорились считать, что в НСО, помимо привычных нам сил, ответственных за появление у тела ускорения, существуют силы инерции – особый вид сил. Они связаны с ускорением, с которым неинерциальная система движется по отношению к инерциальной.

В НСО второй закон Ньютона приобретает следующий вид:

,

где  – ускорение в неинерциальной системе отсчета;  – сила инерции

,

где  – абсолютное ускорение инерциальной системы отсчета

В НСО третий закон Ньютона в отношении сил инерции не выполняется.

Примером силы инерции является центробежная сила. Во время резкого поворота автомобиля человека вдавливает в кресло. С точки зрения этого человека на него действует центробежная сила, а с точки зрения наблюдателя на земле человек продолжает двигаться по инерции, в то время как кресло автомобиля стремится повернуть (рис. 9).

Рис. 9. Центробежная сила

---

 

---

Как искать равнодействующую силу

Равнодействующая (результирующая) – это сила, результат действия которой эквивалентен суммарному действию всех сил, приложенных к телу (рис. 10).

Рис. 10. Нахождение равнодействующей

В задачах можно считать, что все силы приложены к одной точке.

Силы не обязательно должны взаимно увеличивать друг друга. Представьте, что вы зимой катаетесь на санках (рис. 11). В первой ситуации силы, которые придают ваши друзья, складываются. Во второй один из друзей не хочет отдавать санки и тянет их в другую сторону. В этом случае модули сил вычитаются.

Рис. 11. Иллюстрация к примеру

Рассмотрим пример, когда силы направлены не вдоль одной прямой, а в разные стороны. На рис. 11 изображено тело, которое находится на наклонной плоскости и удерживается на ней за счет действия силы трения . Кроме этой силы, на тело действует сила тяжести () и сила реакции опоры (). Если тело находится в положении равновесия, то векторная сумма всех сил равна нулю, то есть равна нулю равнодействующая.

 

Следовательно, ускорение, которое приобретает тело, также равно нулю.

Рис. 11. Силы, действующие на тело

---

 

Список литературы

1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
2. А. П. Рымкевич. Физика. Задачник 10–11. – М.: Дрофа, 2006.
3. О. Я. Савченко. Задачи по физике. – М.: Наука, 1988.
4. А. В. Перышкин, В. В. Крауклис. Курс физики. Т. 1. – М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «studopedia.org» (Источник)
2. Интернет-портал «abitura.com» (Источник)
3. Интернет-портал «school-collection.edu.ru» (Источник)
4. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)
5. Интернет-портал «fizika-lekcii.ucoz.ua» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Вопросы (1, 3) в конце параграфа 24 (стр. 66); вопросы (3–5) в конце параграфа 25 (стр. 68) – Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Физика 10 (см. список рекомендованной литературы).
2. Трактор тянет плуг по горизонтали силой 5 кН. Сопротивление движению – 3 кН. Определите равнодействующую этих сил.
3. Вагонетка массой 500 кг движется под действием силы 125 Н. Определите ее ускорение.
4. Трактор, сила тяги которого на крюке – 15 кН, сообщает прицепу ускорение . Какое ускорение сообщит тому же прицепу трактор, развивающий тяговое усилие 60 кН?