Как найти скорость через силу упругости

Есть снаряд 5 грамм, к нему приложили силу в 1.5Н можно ли узнать его скорость какими-то методами? Если да, то какие еще параметры должны быть известны? Давайте представим, что эти параметры у нас есть. По какой формуле тогда будет высчитываться скорость движения данного тела? бонус за лучший ответ (выдан): 5 кредитов Никак без дополнительных параметров. Сила является причиной ускорения по второму занону Ньютона a=F/m. Но скорость в каждый момент времени находится по формуле v=v0+a*t. Поэтому, чтобы узнать скорость, требуется ещё знать её начальное значение и сколько времени с этого момента прошло. Но если речь идёт именно о снаряде, то всё многкратно усложняется. Сила приложена к снаряду только до момента вылета снаряда из ствола и к тому же непостоянна. Сама сила изменяется пропорционально давлению пороховых газов. Кривая давления представлена на рисунке Расчёт скорости и давления ведётся уже по баллистическим формулам, например таким: V=(al)/(b+l); v0=(aL)/(b+L); a=(v0(b+L))/L; P=((φmba^2)/S)*(l/(b+l)^3, где l – путь в стволе, L – длина нарезной части, a,b,φ – пороховые константы, S – площадь поперечного сечения ствола. Но даже в рогатке возникающая сила не постоянная, а обратно пропорциональна натяжению резины, и начальная скорость будет зависеть от этой переменной силы, массы и времени выстрела. Поэтому по тем данным (только сила и масса) практически ничего не вычислишь. система выбрала этот ответ лучшим Kuzmi­ch291­192 [7K] 6 лет назад  В данном случае необходимо применить 2 закон Ньютона, но не в привычной для нас форме, а в дифференциальной: F=(p2-p1)/t, где F – сила, приложенная к телу, p1 – импульс тела до приложения силы, p2 – импульс тела после приложения силы, t – время приложения силы. То есть, результирующее значение силы, приложенное к телу есть изменение импульса этого тела за единицу времени. Именно в таком виде Ньютон вывел свой закон. Применим данную формулу. Дано: m=5*10^(-3) кг F=1.5 H Найти: v-? Как я понимаю, начальная скорость снаряда равна 0, следовательно второй закон Ньютона примет вид: F*t=p Расписав импульс и выразив скорость, имеем: F*t=m*v v=F*t/m Из полученной формулы видно, что для нахождения скорости нам необходимо знать время. Действительно, чем больше времени сила будет прилагаться к телу, тем больше она тело разгонит (или же затормозит, если направление силы и направление скорости разнонаправленны). Предположим, что t=1 с. Тогда v=1.5*1/5*10^(-3) v=1500/5 v=300 (м/с). Таким образом, для нахождения скорости тела, в данном случае, мы должны знать силу, действующую на тело, массу тела, и время действия силы на тело (при условии, что тело находилось в состоянии покоя). SVFE4­8 [7.4K] 4 месяца назад  Можно рассчитать скорость снаряда, используя силу и массу снаряда, но необходима дополнительная информация. Формула для расчета скорости: Скорость = сила/масса В этом случае сила равна 1,5 Н, а масса равна 5 граммам. Чтобы использовать эту формулу, массу необходимо перевести в килограммы. 1 грамм = 0,001 килограмма 5 грамм = 5 * 0,001 = 0,005 килограмма Таким образом, скорость снаряда можно рассчитать как: Скорость = 1,5 Н / 0,005 кг = 300 м/с Важно отметить, что этот расчет дает только начальную скорость снаряда в момент приложения силы. Чтобы рассчитать конечную скорость, необходимо учитывать другие факторы, такие как сопротивление воздуха, гравитация и угол запуска. Для точного расчета конечной скорости снаряда необходимо знать следующие параметры: угол запуска начальная скорость масса снаряда сопротивление воздуха гравитационное ускорение время полета Когда эти параметры известны, уравнения движения можно использовать для расчета конечной скорости. Стоит отметить, что это упрощенный пример, и в реальных сценариях сопротивление воздуха и угол запуска являются критическими факторами, влияющими на конечную скорость снаряда. dmitr­iy861 [9.1K] 6 лет назад  Пусть меня кто то поправит если ошибаюсь, но по моему тут второй закон Ньютона. В общем виде это частное от силы разделённой на массу! Rafai­l [136K] 6 лет назад  Если к телу массой 5 г приложить (и не убирать) силу в 1,5 Н, то она, согласно второму закону Ньютона, придаст ему ускорение а=F/m=1,5/0,005=300 м/c^2. Под действием этого ускорения тело начнёт увеличивать скорость по закону v=a*t, где t – время действия силы. Так что, зная формулу Вы можете рассчитать скорость тела в любой момент времени. Михаи­л Белод­едов [26.2K] 6 лет назад  Через секунду – 1,5/0,005 = 300 м/с. Через 2 секунды – 600 м/с. Через 3 секунды – 900 м/с. Через 4 секунды – 1,2 км/с. Через 5 секунд – 1,5 км/с. Через 10 секунд – 3 км/с. Через 20 секунд – 6 км/с. А через полминуты скорость достигнет 8 км/с и, если снаряд к тому времени не воткнётся в Землю, он начнёт удаляться от поверхности Земли. Если рассматривать данный вопрос с точки зрения школьных знания то F=m*a , F – сила, m – масса, a – ускорение. Что бы найти скорость в какой либо момент времени, достаточно ускорение умножить на время. Если же учитывать, что есть сила трения, то что сила прилагалась не равномерно и не постоянно, то тут нужны дополнительные данные. Чосик [208K] более года назад  Мы знаем, что сила равна произведению массы объекта на ускорение. Мы знаем приложенную силу и массу объекта. F= 1.5Н m = 5 = 0.005 кг F = m*a a = F/m a = 1.5/0.005 = 300 м/с. Теперь необходимо связать скорость и ускорение. v=v0+a*t То есть, чтобы узнать скорость движения в определенный момент, необходимо знать время. владс­андро­вич [766K] более года назад  Скорость эта такая величина, которая в физике обозначается буковкой «V». Если же вы хотите ее найти, то нужно использовать правильную формулу и этой правильной формулой в конечном итоге является v = Ft/m. Буква F в ней обозначает силу, а  t – время, а что касается буквы  m, то она массу.   Aleks­andr6­052 [83.9K] 6 лет назад  Скорость можно определить по формуле: v = Ft/m. Здесь v – скорость, F – сила, t – время, m – масса. То есть, чтобы успешно решить поставленную задачку нам недостаёт ещё одной физической величины, а именно – времени. Знаете ответ?

Формулы пружинного маятника в физике

Формулы пружинного маятника

Определение и формулы пружинного маятника

Допустим, что масса груза равна $m$, коэффициент упругости пружины $k$. Масса пружины в таком маятнике обычно не учитывается. Если рассматривать вертикальные движения груза (рис.1), то он движется под действием силы тяжести и силы упругости, если систему вывели из состояния равновесия и предоставили самой себе.

Уравнения колебаний пружинного маятника

Пружинный маятник, совершающий свободные колебания является примером гармонического осциллятора. Допустим, что маятник совершает колебания вдоль оси X. Если колебания малые, выполняется закон Гука, то уравнение движения груза имеет вид:

[ddot{x}+{omega }^2_0x=0left(1right),]

где ${щu}^2_0=frac{k}{m}$ – циклическая частота колебаний пружинного маятника. Решением уравнения (1) является функция:

[x=A{cos left({omega }_0t+varphi right)=A{sin left({omega }_0t+{varphi }_1right) } }left(2right),]

где ${omega }_0=sqrt{frac{k}{m}}>0$- циклическая частота колебаний маятника, $A$ – амплитуда колебаний; ${(omega }_0t+varphi )$ – фаза колебаний; $varphi $ и ${varphi }_1$ – начальные фазы колебаний.

В экспоненциальном виде колебания пружинного маятника можно записать как:

[Re tilde{x}=Releft(Acdot exp left(ileft({omega }_0t+varphi right)right)right)left(3right).]

Формулы периода и частоты колебаний пружинного маятника

Если в упругих колебаниях выполняется закон Гука, то период колебаний пружинного маятника вычисляют при помощи формулы:

[T=2pi sqrt{frac{m}{k}}left(4right).]

Так как частота колебаний ($nu $) – величина обратная к периоду, то:

[nu =frac{1}{T}=frac{1}{2pi }sqrt{frac{k}{m}}left(5right).]

Формулы амплитуды и начальной фазы пружинного маятника

Зная уравнение колебаний пружинного маятника (1 или 2) и начальные условия можно полностью описать гармонические колебания пружинного маятника. Начальные условия определяют амплитуда ($A$) и начальная фаза колебаний ($varphi $).

Амплитуду можно найти как:

[A=sqrt{x^2_0+frac{v^2_0}{{omega }^2_0}}left(6right),]

начальная фаза при этом:

[tg varphi =-frac{v_0}{x_0{omega }_0}left(7right),]

где $v_0$ – скорость груза при $t=0 c$, когда координата груза равна $x_0$.

Энергия колебаний пружинного маятника

При одномерном движении пружинного маятника между двумя точками его движения существует только один путь, следовательно, выполняется условие потенциальности силы (любую силу можно считать потенциальной, если она зависит только от координат). Так как силы, действующие на пружинный маятник потенциальны, то можно говорить о потенциальной энергии.

Пусть пружинный маятник совершает колебания в горизонтальной плоскости (рис.2). За ноль потенциальной энергии маятника примем положение его равновесия, где поместим начало координат. Силы трения не учитываем. Используя формулу, связывающую потенциальную силу и потенциальную энергию для одномерного случая:

[E_p=-frac{dF}{dx}(8)]

учитывая, что для пружинного маятника $F=-kx$,

тогда потенциальная энергия ($E_p$) пружинного маятника равна:

[E_p=frac{kx^2}{2}=frac{m{{omega }_0}^2x^2}{2}left(9right).]

Закон сохранения энергии для пружинного маятника запишем как:

[frac{m{dot{x}}^2}{2}+frac{m{{omega }_0}^2x^2}{2}=const left(10right),]

где $dot{x}=v$ – скорость движения груза; $E_k=frac{m{dot{x}}^2}{2}$ – кинетическая энергия маятника.

Из формулы (10) можно сделать следующие выводы:

• Максимальная кинетическая энергия маятника равна его максимальной потенциальной энергии.
• Средняя кинетическая энергия по времени осциллятора равна его средней по времени потенциальной энергии.

Примеры задач с решением

Читать дальше: формулы равноускоренного прямолинейного движения.

В этой главе …

• Изучаем закон Гука
• Осваиваем основы простого гармонического движения
• Изучаем особенности простого гармонического движения
• Измеряем энергию простого гармонического движения
• Вычисляем период колебаний маятника

Эта глава посвящена описанию еще одного типа движения, а именно: описанию периодического движения. Примерами такого движения являются колебания грузика на пружинке, качания маятника и даже прыжки с высоты с помощью эластичной веревки. В этой главе рассматриваются закономерности и особенности таких повторяющихся, т.е. периодических движений. Здесь мы научимся вычислять характеристики периодического движения: период колебаний пружинки и маятника, упругую энергию сжатой пружины и т.д.

Постигаем закон Гука

Все объекты природы могут деформироваться, т.е. менять свою форму или объем, под действием приложенной силы. Если такие деформации (т.е. изменения) исчезают после прекращения действия приложенной силы, то они называются упругими. Упругость играет важную роль в технике. Упругие пружины используются для гашения удара при посадке космического корабля на поверхность планеты. Свернутые в спираль упругие пластины применяются в заводных механизмах часов. Даже в мышеловке используется упругая деформация пружины.

Еще в XVII-M веке английский физик Роберт Гук, изучая упругие свойства разных материалов, вывел закон, названный его именем. Согласно закону Гука, для упругого деформирования материала требуется приложить силу, величина которой прямо пропорциональна его деформации. Например, чтобы растянуть пружину на величину ​( x )​, потребуется приложить внешнюю силу ​( F_{вн} )​, которая равна:

где ​( k )​ — это коэффициент пропорциональности.

Точнее говоря, вектор деформации ​( mathbf{x} )​ всегда направлен противоположно силе сопротивления пружины (или силе упругости) ( mathbf{F} ), а потому в векторную формулировку закона Гука обычно входит знак “минус”:

Растягиваем и сжимаем пружины

Следует помнить, что закон Гука относится только к упруго деформируемым материалам.

В реальном мире, помимо упругих деформаций, имеются еще и пластические деформации. Так называют деформации, которые остаются в объекте, хотя бы частично, даже после прекращения действия внешних сил. Если сила не превосходит некоторой известной величины, которая называется пределом упругости, то возникающая деформация будет пластической. Предел упругости имеет разные значения для разных материалов. Если деформируемый объект, например пружина, испытывает только упругие деформации, то его называют идеально упругим, например, идеально упругой пружиной. Коэффициент пропорциональности ​( k )​ в законе Гука ​( F=kx )​ называется коэффициентом упругости объекта, который зависит от материала объекта, его размеров и измеряется в Н/м.

Допустим, вам нужно спроектировать подвеску автомобиля массой 1000 кг, состоящую из 4 пружин, которые могут идеально упруго деформироваться на расстояние 0,5 м. Каким коэффициентом упругости должна обладать пружина, чтобы выдержать вес автомобиля?

Вес автомобиля равен ​( mg )​, где ​( g )​ — это ускорение свободного падения под действием силы гравитационного притяжения. Это значит, что на каждую пружину приходится вчетверо меньшая нагрузка ​( mg/4 )​.

Определим упругую деформацию пружины под действием этой нагрузки по формуле закона Гука:

т.е. коэффициент упругости равен:

Подставляя значения, получим:

Итак, чтобы выдержать вес автомобиля, потребуется пружина с коэффициентом упругости равным 4,9·10³ Н/м. Не забудьте, что каждый элемент подвески автомобиля должен обладать определенным запасом прочности, чтобы выдерживать непредсказуемые превышения нагрузки, например на ухабах. Однако эта задача выходит за рамки данного курса.

Изучаем особенности закона Гука

Как уже упоминалось выше, в векторную формулировку закона Гука обычно входит знак “минус”:

Таким образом, знак “минус” выражает следующую особенность упругой деформации: сила упругости всегда противоположна деформации. На рис. 12.1 схематически показаны направления силы упругости и деформации при сжатии и растяжении пружины.

Как видите, при отсутствии растяжении или сжатия нет и деформации (см. схему А на рис. 12.1). Если пружина сжимается влево, то сила упругости направлена вправо (см. схему Б на рис. 12.1), а если пружина растягивается вправо, то сила упругости направлена влево (см. схему В на рис. 12.1).

Сила упругости пружины не зря называется силой сопротивления, ведь она стремится установить равновесие.

Движется дальше: простое гармоническое движение

Простым гармоническим движением называется такое движение, при котором сила сопротивления движению пропорциональна перемещению. При этом сила трения не учитывается, и никакие другие внешние силы не оказывают никакого влияния на движение. Такое движение будет выполняться периодически и бесконечно долго. Конечно же, в реальной ситуации так не бывает, но здесь имеется в виду именно идеализированная ситуация.

Изучаем простое гармоническое движение по горизонтали и по вертикали

На рис. 12.1 показан пример движения мячика, прикрепленного к пружине. При сжатии пружины внешней силой справа налево в пружине возникает сила упругости, которая стремится вернуть мячик в исходное положение. После возврата мячика в исходное положение он останавливается не сразу, а спустя какое-то время. Оно необходимо для торможения ускорившегося мячика с помощью силы упругости, возникающей при растягивании вправо. Дело в том, что мячик обладает некоторой массой, и инерция (см. главу 11) не позволяет ему остановиться мгновенно. В результате имеем следующую последовательность событий (см. рис. 12.1).

• Схема А. Мячик находится в состоянии равновесия. Никакие силы не действуют на него. Пружина находится в нерастянутом и в несжатом состоянии.
• Схема Б. Внешняя сила сжала пружину справа налево. В пружине возникла упругая сила сопротивления ​( F )​.
• Схема В. Внешняя сила отпускает пружину (и далее не участвует в процессе движения). Упругая сила сопротивления пружины ​( F )​ стремится распрямить пружину, т.е. вернуть мячик в исходное состояние. Мячик начинает ускоренное движение.

Когда мячик проходит точку исходного положения, его скорость становится очень большой (фактически максимальной) и он продолжает движение вправо. При этом возникает деформация растяжения и соответственно направленная противоположно упругая сила сопротивления пружины. Именно так и происходит при повторяющихся движениях мячика слева направо и, наоборот, справа налево. После первоначального толчка из неподвижного состояния мячик начинает совершать периодические колебания из самого крайнего левого положения в самое крайнее правое положение.

В примере на рис. 12.1 предполагается, что силы трения нет. А что будет, если пружинку с мячиком подвесить вертикально, как показано на рис. 12.2?

В подвешенном состоянии изменится положение равновесия, но после воздействия внешней силы мячик будет совершать аналогичные периодические движения, но теперь уже вверх-вниз.

Это новое равновесное положение определяется равенством веса мячика ​( mg )​ и силы упругости ​( ky_0 )​ растянутой пружины под действием этого веса:

Итак, новое положение исходного равновесия будет определяться формулой:

Теперь если потянуть мячик вниз с помощью внешней силы и отпустить мячик, то он начнет совершать периодическое движение, как и в прежнем примере (см. рис. 12.1), но теперь уже относительно нового положения равновесия.

Периодическое движение подобного рода называется периодическим колебанием, а крайние положения мячика при таком периодическом движении мячика называются амплитудами периодических колебаний. Амплитуда является важным элементом математического описания простого гармонического движения.

Изучаем свойства простого гармонического движения

Представьте себе, что для изучения простого гармонического движения ученые решили освещенный фонариком мячик из предыдущего примера заснять на движущуюся по горизонтали фотопленку.

После проявки фотопленки на ней оказался четкий волнообразный след, который показан на рис. 12.3.

Оказывается, мячик действительно совершает периодические движения вверх-вниз относительно исходного равновесного положения с амплитудой А. Вблизи точки равновесия скорость мячика максимальна, а в точках амплитуды минимальна.

Траектория мячика очень похожа на синусоидальную кривую, т.е. след мячика на движущейся фотопленке описывается графиком функции ​( sin )​ (“синус”) либо ​( cos )​ (“косинус”) со сдвигом от начала координат. Действительно, решением уравнения простого гармонического движения является функция ​( sin )​ или ​( cos )​.

Изучаем траекторию простого гармонического движения

Построим и рассмотрим внимательно кривую функции:

Наверняка эта функция и ее графическое представление в виде синусоидальной кривой уже знакомо многим читателям этой книги из курса математики. Ее часто можно встретить на экранах разных приборов в реальной жизни или даже в виртуальном мире кино и компьютерных игр.

Пусть освещенный фонариком мячик движется по окружности перпендикулярной плоскости страницы и снимается на движущуюся по горизонтали фотопленку. Тогда после проявки фотопленки на ней снова появится синусоидальная кривая, как показано на рис. 12.4.

Если расположить окружность так, чтобы она была параллельна плоскости страницы (рис. 12.5), то можно легко заметить, что положение мячика определяется формулой:

где ​( x )​ — это текущее смещение мячика по оси X от положения равновесия, ​( theta )​ — это угол поворота мячика при вращении по окружности, а ​( A )​ — это амплитуда периодического движения.

Если мячик вращается по окружности с постоянной угловой скоростью, то ​( theta=omega t )​ и ​( x=Acos(omega t) )​.

Определяем период простого гармонического движения

Прохождение мячиком пути, равного длине окружности, называется циклом, а время его прохождения — периодом. Период обозначается символом ​( T )​ и измеряется в секундах.

На рис. 12.4 и 12.5 полный цикл соответствует движению мячика от исходного положения с амплитудой ​( A )​, затем к положению с амплитудой ​( -A )​, а потом снова к положению с амплитудой ( A ).

Как связан период с уже знакомыми нам параметрами движения? За один цикл мячик проходит угол величиной ​( 2pi )​ за период ​( T )​, т.е. его угловая скорость равна:

Откуда получаем выражение для периода:

Для характеристики периодического движения часто используют понятие частота, которое равно количеству циклов за единицу времени. Например, если мячик на рис. 12.4 совершает 1000 полных оборотов в секунду, то его частота равна 1000 с^-1. В системе СИ частоту измеряют в герцах (или сокращенно Гц), т.е. 1 с^-1 = 1 Гц. Таким образом, частота вращения мячика по окружности равна 1000 Гц.

Частота ​( f )​ и период ​( T )​ связаны очень простым соотношением:

Поскольку:

то теперь можно легко найти связь между частотой и угловой скоростью:

При описании периодических движений угловую скорость ​( omega )​ часто называют циклической частотой.

Определяем скорость в простом гармоническом движении

На рис. 12.5 мячик совершает движение по окружности, а координата перемещения по оси X определяется формулой:

где ​( x )​ — это текущее смещение мячика по оси X от положения равновесия, ​( omega )​ — это угловая скорость мячика при вращении по окружности, а ​( A )​ — это амплитуда периодического движения.

В любой точке с координатой х мячик обладает некоторой скоростью, которая зависит от времени. Как выразить ее с помощью математической формулы?

Очень просто, ведь для этого достаточно вспомнить о связи между угловой ​( omega )​ и тангенциальной ​( v )​ скоростью (см. главу 10):

Поскольку в данном случае ​( r=A )​, то в итоге получим для тангенциальной скорости:

Теперь для определения скорости периодических колебаний следа мячика по оси X на фотопленке нужно вычислить проекцию тангенциальной скорости на ось X:

(Здесь знак “минус” возникает, поскольку фотопленка движется вниз и ось Y направлена вниз, а потому угол ​( beta )​ между вектором скорости и осью X равен ​( 180^circ+theta )​, a ​( sin(beta)=sin(180^circ+theta )=-sin(theta) )​. — Примеч. ред.)

После подстановки выражений для ​( theta=omega t )​ и для ​( v=Aomega )​ получим:

Обратите внимание, что скорость меняется от исходного положения с амплитудой перемещения ​( A )​ и амплитудой скорости ​( 0 )​, затем к положению с амплитудой перемещения ​( 0 )​ и амплитудой скорости ​( -Aomega )​, потом к положению с амплитудой перемещения ​( -A )​ и амплитудой скорости ​( 0 )​, затем к положению с амплитудой перемещения ​( 0 )​ и амплитудой скорости ​( Aomega )​, а потом снова к положению с амплитудой перемещения ​( A )​ и амплитудой скорости ​( 0 )​.

Как видите, в простом гармоническом движении амплитуда скорости ​( A_v=Aomega )​ связана с амплитудой перемещения ​( A_х=A )​ формулой:

Рассмотрим следующий простой пример. Представьте себе, что несколько отчаянных парней и девушек прыгают с высоты с помощью эластичной веревки. Известно, что при прыжке с некоторой высоты относительно точки равновесия максимальная скорость в точке равновесия одного из смельчаков достигает величины 4 м/с. Он решает в 10 раз увеличить высоту прыжка. Какой будет его максимальная скорость в точке равновесия?

Итак, амплитуда скорости в первом прыжке ​( A_{v1}=-A_{х1}omega )​ равна 4 м/с. Амплитуда перемещения во втором прыжке (с новой высоты) в 10 раз больше амплитуды перемещения в начале, т.е. ​( A_{х2}=10A_{х1} )​. Вопрос: чему равна амплитуда скорости ( A_{v2}=-A_{х2}omega ) во втором прыжке? Подставляя выражение для ( A_{х2}=-omega/A_{v1} ) в формулу ( A_{х2}=10A_{х1} ), а затем в формулу ( A_{v2}=-A_{х2}omega ), получим:

Итак, при увеличении амплитуды прыжка в 10 раз амплитуда скорости возрастает тоже в 10 раз, т.е. становится равной 40 м/с.

Определяем ускорение в простом гармоническом движении

Вернемся к примеру на рис. 12.5, где мячик совершает движение по окружности. Его координата перемещения по оси X определяется формулой:

где ​( x )​ — это текущее смещение мячика по оси X от положения равновесия, ​( omega )​ — это угловая скорость мячика при вращении по окружности, а ​( A )​ — это амплитуда периодического движения.

Как мы уже выяснили в предыдущем разделе, его скорость перемещения по оси X определяется формулой:

Однако вращательное движение мячика также характеризуется центростремительным ускорением. Как выразить ее с помощью математической формулы?

Как известно (см. главу 10), угловая скорость ​( omega )​ центростремительное ускорение ​( a )​ связаны следующей формулой:

Поскольку в данном случае ​( r=A )​, то в итоге получим для центростремительного ускорения:

Теперь для определения ускорения периодических колебаний следа мячика по оси X на фотопленке нужно вычислить проекцию центростремительного ускорения на ось X:

(Здесь знак “минус” возникает, поскольку фотопленка движется вниз и ось Y направлена вниз, а потому угол ​( gamma )​ между вектором центростремительного ускорения и осью X равен ​( 180^circ + theta )​, a ​( cos(gamma)=cos(180^circ + theta)=-cos(theta) )​. — Примеч. ред.)

После подстановки выражений для ​( theta=omega t )​ и для ​( a=Aomega^2 )​ получим:

Как видите, в простом гармоническом движении амплитуда ускорения ​( A_а=Aomega^2 )​ связана с амплитудой перемещения ​( A_х=A )​ формулой:

Рассмотрим еще один простой пример. Пусть диафрагма (тоненькая пластинка) в трубке домашнего телефона совершает простое гармоническое движение с частотой ​( theta=omega t )​ величиной 1 кГц (т.е. 1000 Гц) и амплитудой перемещения ( A_х=A ) величиной 1,0·10^-4 м. Чему равна амплитуда ускорения мембраны ​( A_а )​?

Поскольку ​( omega=2pi!f )​, то после подстановки этого выражения в предыдущую формулу ( A_а=-A_хomega^2 ) получим:

Подставляя численные значения, получим:

Как видите, мембрана обычного телефона испытывает очень большое ускорение, которое почти в 400 раз больше ускорения свободного падения ​( g )​ = 9,8 м/с² под действием гравитационного притяжения Земли.

Определяем частоту колебаний груза на пружине

С математической точки зрения колебания груза на пружине и движение мячика по окружности (см. предыдущие разделы этой главы) принципиально не отличаются. Дело в том, что оба эти движения являются простыми гармоничными. Поэтому их основные характеристики (например, скорость, ускорение, частота и период колебаний) должны описываться аналогичными математическими формулами. Остановимся и подробно проследим за этой аналогией.

Как известно, согласно закону Гука (см. выше в этой главе), при растяжении пружины на величину ​( x )​ возникает упругая сила ​( F )​, которая равна:

где ​( k )​ — это коэффициент пропорциональности.

Согласно закону Ньютона (см. главу 5), сила и вызванное ею ускорение ​( a )​ связаны следующим соотношением:

откуда получаем:

Из предыдущего раздела нам уже известно, что в простом гармоническом движении перемещение и ускорение выражаются следующими формулами:

и

Подставляя эти выражения в предыдущую формулу, полученную на основе законов Гука и Ньютона, получим:

Сокращая некоторые переменные, получим:

Откуда легко можно выразить циклическую частоту:

Поскольку ​( omega=2pi!f )​ и ( omega=2pi/T )​, то после подстановки предыдущего выражения в эти формулы получим:

и

Пусть пружина на рис. 12.1 обладает коэффициентом упругости ​( k )​, равным 1,0·10^-2 Н/м, а к ней прикреплен груз массой 4 г. Чему будет равен период колебаний груза на пружине? Подставляя значения в предыдущую формулу для периода, получим:

А какова частота этих колебаний? Снова подставляя значения в предыдущую формулу для частоты, получим:

Используя формулы перемещения, скорости и ускорения для простого гармонического движения (см. ранее в этой главе):

можно вычислить координату, скорость и ускорение груза на пружине в произвольный момент времени. Как будут выглядеть эти формулы для задачи с грузиком на пружине?

Сначала вычислим циклическую частоту:

Если амплитуда ​( A )​ равна 10 см, то получим:

Вычисляем энергию простого гармонического движения

В простом гармоническом движении периодически происходит увеличение и уменьшение кинетической энергии, например груза на пружине. Ясно, что кинетическая энергия груза не пропадает, а преобразуется в энергию сжатой или растянутой пружины. Эта энергия называется упругой потенциальной энергией пружины. Сколько энергии запасено в сжатой или растянутой пружине?

Попробуем вычислить ее с помощью простых соображений. Как известно, работа ​( A )​ силы ​( F )​ при перемещении на расстояние ​( s )​ равна:

При сжатии или растяжении пружины сила ​( F )​ меняется линейно с расстоянием, поэтому работу этой силы по сжатию или растяжению пружины на расстояние ( s ) можно представить как произведение средней силы ​( overline{F} )​ на перемещение ( s ):

Средняя ( overline{F} ) сила определяется как:

где ​( F_1=-kx_1 )​ — это сила упругости в точке с координатой ​( x_1 )​, a ( F_2=-kx_2 ) — сила упругости в точке с координатой ( x_2 )​. При этом перемещение ​( s )​ будет равно:

Подставляя выражения для ( s ) и ( overline{F} ) в формулу работы, получим:

Члены ​( frac{kx^2_1}{2} )​ и ( frac{kx^2_2}{2} ) выражают упругую потенциальную энергию пружины ​( E_{у1} )​ и ( E_{у2} ) в точках с координатами ​( x_1 )​ и ( x_2 ), соответственно. Таким образом, работа силы упругости равна изменению упругой потенциальной энергии пружины:

Рассмотрим простой пример. Насколько возрастет упругая потенциальная энергия пружины с коэффициентом упругости 1,0·10^-2 Н/м при сжатии ее на 10 см? Подставляя значения в формулу

получим:

Учтите, что при изменении упругой потенциальной пружины с грузом (при отсутствии внешних сил) изменяется кинетическая энергия груза. Причем эти изменения происходят так, что неизменной остается полная энергия системы, состоящей из пружины и груза. Например, при достижении точки равновесия пружина полностью разжимается, и ее упругая потенциальная энергия становится равной нулю, а кинетическая энергия груза при этом становится максимальной. И наоборот, при максимальном сжатии или растяжении пружины ее упругая потенциальная энергия становится максимальной, а кинетическая энергия груза при этом становится равной нулю.

Качаемся вместе с маятником

Еще одним типичным примером простого гармонического движения (кроме груза на пружине) является простой маятник, который показан на рис. 12.6.

Можно ли движение маятника описать математическими формулами простого гармонического движения, которые (выше в этой главе) использовались для описания движения груза на пружине? Да, и вот почему.

Дело в том, что на маятник, подвешенный на нити длиной ​( L )​ и отклоненный на угол ​( theta )​, действует сила гравитационного притяжения ​( mathbf{F}=mmathbf{g} )​. Перпендикулярная нити компонента силы создает сопротивление движению:

Момент этой компоненты силы

определяет угловое ускорение маятника ​( alpha )​:

Отсюда получаем формулу математического маятника:

(Математическим маятником называется идеализированная система, состоящая из невесомой и нерастяжимой нити, на которой подвешен груз с массой, сосредоточенной в одной точке. — Примеч. ред.)

При малых колебаниях, т.е. при малых значениях угла ​( theta )​; можно считать, что ​( sin(theta)approxtheta )​, и тогда прежняя формула приобретает следующий вид:

Эта формула связи ускорения и перемещения объекта очень похожа на прежние формулы простого гармонического движения груза на пружине и мячика по окружности (см. ранее в этой главе). Но прежде в эту формулу входило линейное перемещение, а теперь — угловое.

По аналогии с прежними формулами связи ускорения и перемещения объекта, совершающего простое гармоническое движение, коэффициент пропорциональности между ускорением и перемещением ​( g/L )​ равен квадрату циклической частоты ​( omega^2 )​. Отсюда получаем, что:

Далее, поскольку ​( omega=2pi!f )​ и ( omega=2pi/T ), то после подстановки предыдущего выражения в эти формулы получим:

и

Обратите внимание, что период качаний математического маятника не зависит от его массы!

Рассмотрим сначала случай, когда начальная скорость тела равна нулю или направлена параллельно приложенной силе упругости.

Мы уже знаем, что сила упругости $F_{ упр} = – kx$. Значит, сила $F_{упр}$ изменяется с изменением положения тела, на которое она действует. Напомним, что удлинение пружины (или любого другого упругого тела) как раз и определяет положение тела относительно точки, где удлинение равно нулю.

Как движется тело под влиянием такой переменной силы?

Согласно второму закону Ньютона ускорение, которое сила упругости $F = – kx$ сообщает телу, пропорционально этой силе.

Отсюда следует, что ускорение тела тоже переменная величина, оно зависит от х. Ускорение, так же как и сила, в любой точке, т. е. при любом значении х, направлено против смещения частей пружины при ее деформации. Этим и определяется характер движения тела под действием одной только силы упругости. На опыте легко увидеть, каково это движение.

рис. 1

Подвесим какой-нибудь груз к нижнему концу пружины (рис. 1). Оттянув груз вниз на несколько сантиметров, отпустим его. Мы увидим, что тело станет периодически подниматься вверх и опускаться вниз выше и ниже того положения, которое оно занимало до того, как пружина была оттянута. Такое движение называют колебательным.

рис. 2

В рассмотренном опыте на тело, кроме силы упругости, действует еще и сила тяжести. Но она не влияет на его движение, потому что сила тяжести сообщает одинаковые ускорения при движении тела как вниз, так и вверх. Если бы пружина была расположена горизонтально (рис. 2), тело тоже совершало бы колебательное движение.

Пользуясь вторым законом Ньютона, можно найти положение тела в любой момент времени. Но задача эта трудная, так как сила упругости – величина переменная. Колебательное движение будет подробно рассмотрено в X классе.

Совсем иначе движется тело, которому сообщена начальная скорость, перпендикулярная действующей на тело силе упругости.

Мы уже рассматривали подобный случай в параграфе “Второй закон Ньютона”. Там мы выяснили, что при таком взаимном направлении силы упругости и скорости тало движется по окружности.

Следовательно, когда сила упругости направлена перпендикулярно начальной скорости движения тела, она сообщает ему центростремительное ускорение и заставляет тело двигаться по окружности.

Содержание:

Движение и силы:

Вы уже знаете, каким сложным является хаотическое движение молекул. В повседневной жизни мы встречаемся с более простыми видами движения. Движутся люди, автомобили (рис. 76), самолеты, Солнце, Луна и другие тела. Окружающий нас мир немыслим без движения. Характеристики многих движений можно легко определить и описать с помощью несложных математических формул.

Как установить, движется или нет данное физическое тело? Рассмотрим пример. Вы стоите на остановке и вдали видите автобус (рис. 77). Движется он или нет? Несмотря на то что вращения колес не видно, вы уверенно определяете, что автобус движется. Изменяется с течением времени его положение относительно киоска, деревьев, домов, неподвижных относительно поверхности Земли. Точно так же мы судим о движении облаков и птиц в небе, рыб в аквариуме, футболистов на поле, поездов и любых других тел.

Изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называется механическим движением. Следовательно, движение происходит в пространстве и во времени.

Рассмотрим еще один пример. Вы едете в электричке (рис. 78). Можно ли сказать, что, сидя в ней, вы находитесь в состоянии покоя? И да, и нет. Да — потому, что вы не движетесь по электричке, т. е. с течением времени ваше положение относительно электрички не меняется. Нет — потому, что вместе с электричкой вы движетесь относительно поверхности Земли. А если электричка остановилась? Теперь вы находитесь в состоянии покоя относительно электрички и поверхности Земли, но движетесь вместе с Землей вокруг Солнца (рис. 79), перемещаясь за каждую секунду примерно на 30 км относительно звезд.

Таким образом, покой и движение относительны. Относительны и характеристики движения. Это легко увидеть на опыте. Укрепите светоотражатель (фликер) на ободе колеса вашего велосипеда. Какова будет кривая, которую опишет фликер (ее называют траекторией) при движении колеса? Относительно вас или вашего друга, едущего рядом с вами, фликер будет двигаться по окружности. А стоящий человек, мимо которого вы проезжаете, увидит, что фликер описывает не окружность, а сложную кривую (рис. 80). Следовательно, траектория тоже относительна.

Главные выводы:

1. Механическое движение — это изменение положения тела в пространстве относительно другого тела или тел с течением времени.
2. Механическое движение и покой относительны.

Траектория, путь и время

Для решения научных и практических задач необходимо уметь описывать механическое движение тела или его частей, определять характеристики движения и устанавливать связи между ними.

Какими физическими величинами описывается механическое движение?

Проведите мелом по доске. Мел при движении описывает линию, которая хорошо видна на доске.

В голубом небе часто отчетливо видны белые следы позади летящих самолетов (рис. 81). Быстро мчащийся катер оставляет на поверхности воды пенистую дорожку (рис. 82).

Линия, которую описывает тело при своем движении, называется траекторией.

Мы привели примеры движений, когда траектория — видимая линия. Но чаще всего она невидима. Однако траекторию всегда можно изобразить, если отметить точками положения движущегося тела в различные моменты времени, а затем соединить эти точки. Несложно, например, представить траекторию летящего ядра (рис. 83).

Если траектория движения — прямая линия, движение называется прямолинейным. Например, такова траектория падающего с дерева яблока (рис. 84). Если же траектория — кривая линия, то движение называется криволинейным (см. рис. 83).

Длина той части траектории, которую описывает тело за данный промежуток времени, называется путем, пройденным телом за этот промежуток времени.

Обозначается путь обычно буквой s. Путь это физическая величина. Его можно измерить или вычислить по формуле. Единицей пути в СИ является 1 метр (1 м). На практике путь часто измеряют в кратных единицах — километрах — или в дольных — сантиметрах, миллиметрах, микрометрах.

А что такое промежуток времени? Допустим, вы отправляетесь в путешествие на поезде «Минск — Москва». Поставим вопрос: за какой промежуток времени поезд пройдет путь s = 212 км от Минска до Орши? Ответить на этот вопрос очень легко. Во-первых, нужно знать момент времени, когда поезд отправляется из Минска. Обозначим его буквой t с индексом 1, т. е.  Во-вторых, нужно знать момент времени, когда поезд прибывает в Оршу. Обозначим его  Промежуток времени, за который поезд проходит путь от Минска до Орши, равен:

( — греч. «дельта» — знак, обозначающий в математике и физике изменение величины, т. е. разность ее конечного и начального значений). Так, если в нашем примере  = 20 ч 10 мин,  = 23 ч 15 мин, то  = 3 ч 5 мин.

Для краткости вместо «промежуток времени» будем говорить «время».

Единицей времени в СИ является 1 секунда (1 с). Иногда удобнее использовать кратные единицы времени: минуту (мин) и час (ч). Существуют и такие единицы времени, как сутки (сут), год. Вы, конечно, знаете, что одни сутки равны 24 ч, 1 год равен 365 (366) сут.

Для измерения времени служат различные Рис. 87 приборы, например метроном (рис. 85), часы (рис. 86), секундомер (рис. 87).

Для практических целей полезно научиться отсчитывать про себя секунды, произнося числа через равные интервалы времени.

При прохождении лечебных процедур иногда необходимо фиксировать определенный промежуток времени, например 1 мин или 5 мин. В таких случаях удобно использовать песочные часы (рис. 88).

Для любознательных:

Для измерения пройденного пути в автомобилях имеется специальный прибор — одометр (от греч. «дорога» и «мера») (см. рис.). Одометр включает:

• датчик, фиксирующий обороты колеса;
• счетчик, подсчитывающий обороты;
• индикатор, фиксирующий путь, который проехал автомобиль.

Главные выводы:

1. Траектория — линия, которую описывает тело при своем движении.
2. Если траектория — прямая линия, то движение называется прямолинейным, если траектория — кривая линия, то движение криволинейное.
3. Путь — длина той части траектории, которую описывает тело за данный промежуток времени.

Равномерное движение и скорость

Среди всего разнообразия движений тел наиболее просто описывается равномерное прямолинейное движение. Что представляет собой это движение? Как его охарактеризовать?

Рассмотрим пример. Девочка на санках спускается с горки. Понаблюдаем за движением нескольких точек, например А, B, С (рис. 89). Эти точки движутся совершенно одинаково, описывая равные траектории. Движение, при котором все точки тела описывают одинаковые по форме и равные по длине траектории, называется поступательным. А если тело движется поступательно, нужно ли изучать движение всего тела или достаточно изучить движение только одной его точки? Рис. 90 Ведь все точки (рис. 89, 90) движутся совершенно одинаково. В данном учебном пособии мы будем изучать движение тела, не рассматривая его форму, размеры, т. е. будем моделировать тело точкой.

Как определить, какой путь пройдет тело при движении за данный промежуток времени? Пусть тележка (рис. 91) движется прямолинейно. Будем отмечать ее положения, точнее положения точки A, через равные промежутки времени. Это можно сделать, установив на тележке капельницу с вытекающими через равные промежутки времени, например через 2 с, каплями. Определим пути, проходимые тележкой за  = 2 с на первом, втором, третьем и последующих участках движения.

Подобрав груз, можно достичь того, что пути, пройденные тележкой за равные промежутки времени окажутся равными Если уменьшить промежутки времени, то во столько же раз уменьшатся и проходимые пути.

Движение, при котором тело за любые равные промежутки времени проходит равные пути, называется равномерным.

Найдем отношения путей к соответствующим промежуткам времени:

Величина  новая физическая величина, называемая скоростью. Обозначается скорость буквой 

Тогда для равномерного прямолинейного движения можно записать формулу:

Из формулы (1) следует, что скорость равномерного прямолинейного движения есть физическая величина, равная отношению пути, пройденного телом, к промежутку времени.

Из формулы (1) легко найти путь, пройденный за любой промежуток времени, и промежуток времени:

На примере с капельницей вы убедились, что при равномерном прямолинейном движении скорость является постоянной величиной.

При равномерном прямолинейном движении с увеличением промежутка времени увеличивается путь (рис. 92), но скорость остается постоянной.

Значит, скорость является характеристикой движения. Теперь можно дать еще одно определение равномерного прямолинейного движения, используя его характеристику — скорость: равномерное прямолинейное движение — это движение но прямой с постоянной скоростью.

Единицей скорости в СИ является 1 метр в секунду На практике часто используют другие единицы. Например, скорость обычных транспортных средств (автобуса, поезда, самолета и др.) удобно выражать в километрах в час Скорость космических ракет, спутников (рис. 93) выражают в километрах в секунду  При решении задач, как правило, все физические величины выражают в основных единицах СИ.

Пусть автомобиль движется но шоссе со скоростью Выразим эту скорость в метрах в секунду 

Скорость движения пешехода Выразите ее самостоятельно в метрах в секунду 

Максимальная скорость движения в природе — скорость распространения света в пустоте (рис. 94).

Она равна  Вас не удивило огромное значение этой скорости? Сравните ее со скоростью звука в воздухе – Теперь легко объяснить, почему гром вы слышите позже, чем видите молнию, хотя молния и гром возникают практически одновременно.

Из формулы  следует, что для нахождения скорости нужно знать путь и промежуток времени, за который этот путь пройден. Но люди изобрели и широко применяют приборы, которые непосредственно показывают скорость, например, стрелкой на циферблате. Такие приборы называются спидометрами (рис. 95). Если скорость движения автомобиля равна  а самолета —  то за одно и то же время самолет преодолеет в 10 раз больший путь, а это значит, что самолет движется в 10 раз быстрее автомобиля.

Таким образом, скорость характеризует быстроту движения, т. е. показывает, как быстро тело меняет свое положение в пространстве относительно других тел.

Главные выводы:

1. Скорость — количественная характеристика быстроты движения.
2. Определить скорость движения можно, разделив пройденный путь на затраченный промежуток времени.
3. Если скорость постоянна, то движение равномерное.

Графики пути и скорости при равномерном прямолинейном движении

Можно ли выразить связь пути s и времени t не через формулы, а каким-либо другим способом? Для этого используются графики.

Поясним суть графического метода на конкретном примере. Пусть самолет движется равномерно и прямолинейно со скоростью (рис. 96). Опишем движение самолета графически, т. е. построим графики зависимости пути и скорости движения самолета от времени движения.

Путь s от начального момента времени  до момента времени t равен Начальный момент времени  примем за нуль Тогда формула пути упростится:

Найдем значения пути для различных значений промежутка времени и занесем их в таблицу 1.

Например, если t = 3ч, то

Теперь построим график зависимости пути от времени. По оси абсцисс в определенном масштабе (например, 1 см — 1 ч) будем откладывать промежутки времени движения, а по оси ординат (в масштабе 1 см — 900 км) — путь (рис. 97).

Прямая I выражает графическую зависимость пути от времени равномерного движения самолета. Эту прямую называют графиком пути. График пути напоминает известный вам из математики график функции выражающей прямую пропорциональную зависимость у от х.

Ценность графика пути в том, что он, как и соотношение позволяет решить главную задачу — найти путь s, пройденный телом за произвольный промежуток времени

Например, нас интересует путь самолета за промежуток времени t = 4 ч. Для этого из точки на горизонтальной оси, соответствующей времени t = 4 ч (см. рис. 97), проводим перпендикуляр до пересечения с графиком (точка К). Из найденной точки К опускаем перпендикуляр на ось ординат и получаем ответ без вычислений. Путь s = 3600 км.

А что представляет собой график скорости? Он выражает зависимость скорости от времени. Так как скорость с течением времени не изменяется, то различным моментам времени соответствует одно и то же значение скорости. Составим таблицу 2 и построим прямую, выражающую зависимость скорости от времени, откладывая по оси абсцисс время, а по оси ординат — скорость (рис. 98).

График скорости равномерного прямолинейного движения — прямая, параллельная оси времени.

Прямая II изображает график скорости движения самолета. Что дает график скорости? Он не только показывает значение скорости, но и позволяет найти пройденный путь. Рассчитаем путь самолета за промежуток времени t = 2 ч. Согласно формуле  этот путь Посмотрим на это произведение с точки зрения геометрии. Первый множитель выражает одну сторону закрашенного прямоугольника (см. рис. 98), второй (2 ч) другую. Из математики вы уже знаете, что перемножением сторон a и b находят площадь S прямоугольника (рис. 99). Конечно, площадь не есть путь, речь идет только о численном равенстве. Пройденный путь численно равен площади фигуры под графиком скорости.

Для любознательных:

Площадью фигуры под графиком скорости определяется путь не только при равномерном прямолинейном, но и при любом другом движении. Например, путь за промежуток времени  (см. рис.) численно равен площади закрашенной фигуры: 

Главные выводы:

1. График пути выражает зависимость пройденного пути от времени движения тела.
2. Путь при равномерном прямолинейном движении можно определить по формуле  по графику пути или с помощью графика скорости.

Пример №1

Легковой и грузовой автомобили равномерно движутся в одном направлении но параллельным полосам прямолинейного участка

шоссе. Скорость движения легкового автомобиля грузового — Каким будет расстояние между автомобилями через промежуток времени t = 3,0 мин, если в начальный момент автомобили находились рядом?

Запишем условие и выразим величины через основные единицы СИ.

Дано:

t = 3, 0 мин = 180 с

Решение:

Найдем путь, который проехал каждый из автомобилей за промежуток времени t:

Расстояние между автомобилями:

Подставим значения и вычислим:

Ответ: 

Пример №2

Графики зависимости пути от времени равномерных прямолинейных движений пешехода Димы (1) и велосипедиста Пети (2) представлены на рисунке 102. Во сколько раз отличаются скорости движения мальчиков?

Решение

Из графиков следует, что за промежуток времени t = 1 мин Дима прошел путь а Петя проехал

Скорость движения Димы:

Скорость движения Пети:

Отношение:

Ответ: скорость движения Пети на велосипеде в 2 раза больше скорости движения Димы пешком.

Этот же ответ можно было получить проще:

Из графика для одного и того же момента времени, например t = 1 мин (либо 2 мин и т. д.), определяем пути  и Тогда

Неравномерное (переменное) движение. Средняя скорость

Проанализируйте движение автобуса. Он уменьшает скорость перед остановкой. Затем в течение какого-то промежутка времени стоит на остановке, т. е. его скорость равна нулю, после чего скорость увеличивается. Значит, скорость автобуса в процессе движения изменяется, т. е. является переменной величиной.

Движение, при котором скорость изменяется, называется неравномерным (переменным).

Практически все движения, наблюдаемые в природе и технике, — неравномерные. С изменяющейся скоростью движутся, например, люди, птицы (рис. 103), дельфины (рис. 104), поезда, падают предметы (рис. 105). Но как же тогда характеризовать это движение?

Неравномерное движение характеризуется средней скоростью. Как определить среднюю скорость? Рассмотрим пример. Вы едете на экскурсию в Брест поездом. Поезд проходит от Минска до Бреста путь s = 330 км. На прохождение этого пути затрачивается время t = 4,5 ч. В течение данного времени поезд стоит на станциях, движется то с увеличивающейся, то с уменьшающейся скоростью.

Среднюю скорость находят путем деления всего пути на весь промежуток времени, за который этот путь пройден. Обозначим среднюю скорость  и запишем формулу:

Тогда поезд «Минск — Брест» движется со средней скоростью

Вас не удивило, что мы использовали формулу равномерного движения? Да, действительно формально мы нашли среднюю скорость так, как будто поезд весь путь s = 330 км двигался равномерно с постоянной скоростью Это, конечно же, не означает, что он на самом деле двигался равномерно. На отдельных участках пути скорость движения поезда была как значительно большей  так и меньшей, чем и даже равной нулю (рис. 106).

Для любознательных:

Средняя скорость дает лишь приблизительное представление о быстроте движения тела. Описание переменного движения более сложно по сравнению с описанием равномерного.

Например, если скорость поезда на участке разгона возрастает от О до  то в различных точках траектории она принимает различные значения из этого промежутка. Таким образом, можно говорить не только о средней скорости на данном участке траектории, но и о скорости в данной точке траектории. Такую скорость называют в физике мгновенной скоростью.

Главные выводы:

1. Характеристикой неравномерного движения является средняя скорость.
2. Для вычисления средней скорости нужно путь разделить на весь промежуток времени, затраченный на прохождение этого пути.

Пример №3

Катя прошла путь  км за промежуток времени мин. Затем остановилась и в течение промежутка времени мин разговаривала с подругой, после чего прошла путь км за промежуток времени мин. Определите среднюю скорость движения Кати.

Дано:

Решение

Весь путь, который прошла Катя:

Весь затраченный промежуток времени:

Средняя скорость движения Кати:

Вычислим :

Ответ: 

Пример №4

По графику скорости (рис. 107) определите путь и среднюю скорость движения велосипедиста за промежуток времени t = 0,60 ч.

Решение

Искомый путь численно равен площади фигуры под графиком скорости. Путь  велосипедист проехал за промежуток времени ч. Он численно равен площади прямоугольного треугольника, закрашенного в голубой цвет:

Аналогично можно найти пути  и :

Весь путь: 

Средняя скорость движения велосипедиста: 

Ответ: 

Почему изменяется скорость движения тела

Равномерное прямолинейное движение, т. е. движение с постоянной скоростью, — лишь модель реального движения. В жизни всякое движение (от движения огромных планет до движения невидимых частиц) чаще всего происходит с изменяющейся скоростью. Что является причиной изменения скорости?

Рассмотрим опыты. На столе лежит стальной шарик Он находится в состоянии покоя относительно стола. Чтобы заставить шарик двигаться, можно толкнуть его рукой или приблизить к нему магнит (рис. 111). В обоих случаях на шарик действуют другие тела (рука, магнит), что и является причиной изменения скорости движения шарика. А как долго шарик будет двигаться после толчка? Опыт показывает, что скорость движения шарика уменьшается, а через некоторое время его движение прекращается. Почему?

Проведем другой опыт. Три одинаковых шарика одновременно скатываются с одинаковой высоты (рис. 112). Дорожки, по которым затем о движутся шарики, отличаются: первая посыпана песком, вторая покрыта тканью, а третья — стеклом. Движение но третьей дорожке продолжается дольше, поскольку трение здесь наименьшее. Значит, причина прекращения движения шарика — трение между поверхностями шарика и стола и, конечно, сопротивление воздуха. А если бы мы смогли убрать эти причины, шарик двигался бы с постоянной скоростью сколько угодно долго.

Движение тела без действия на него других тел, как и покой, — его естественное состояние.

То, что тело остается в покое, если нет действия других тел, вполне понятно. Но как же тело может само но себе двигаться, если в повседневной жизни мы видим, что тело движется только тогда, когда Рис. 113 на него действует другое тело? Санки (рис. 113) надо тянуть за веревку, лодка плывет под действием весел (рис. 114). А были бы нужны веревка и весла, если бы не было сопротивления движению? Если бы вода не оказывала сопротивления движению, лодка после толчка двигалась бы бесконечно долго с постоянной скоростью.

Итак, если тело находится в состоянии покоя или в состоянии движения, то оно стремится сохранять это состояние (не изменять скорость), пока на него не подействуют другие тела.

Свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения (сохранять свою скорость неизменной) при отсутствии действия на него других тел называется инерцией.

С инерцией нам приходится встречаться постоянно. При резком торможении автобуса пассажиры наклоняются вперед, так как продолжают двигаться по инерции. При резком разгоне автобуса они отклоняются назад. Почему? Л может ли автомобиль остановиться мгновенно? Нет. Как бы ни были сильны тормоза, инерция препятствует мгновенному торможению. Именно из-за инерции тормозной путь автомобиля тем больше, чем больше скорость его движения. Мы уверены, что, помня об инерции, вы не будете перебегать улицу перед движущимся транспортом и научите не делать этого своих младших братьев и сестер. А сколько неприятностей из-за инерции случается, пока мы учимся кататься на коньках!

Инерция может приносить человеку не только неприятности, но и огромную пользу. В водяных и паровых турбинах, а также в ветряных двигателях (рис. 115) используется инерция движения воды, пара, ветра. Инерция играет полезную роль при применении удара, от выколачивания пыли до насадки на рукоятку молотка. Космонавт благодаря инерции может выйти в открытый космос (рис. 116) и не отстать от корабля.

Для любознательных:

Древнегреческий философ Аристотель (IV в. до н. э.) считал, что только покой — естественное состояние тела, а движение — насильственное. Тело стремится к своему естественному состоянию, поэтому, если не поддерживать движение, оно прекращается.

Ошибка Аристотеля состояла в том, что он верил в инерцию покоя, но не понимал, что телам столь же свойственна инерция движения.

Спустя приблизительно 2000 лет после Аристотеля итальянский ученый Галилео Галилей смог вообразить идеализированный мир мир без трения. В результате он пришел к выводу о том, что движение тела без действия на него других тел, как и покой, является его естественным состоянием.

Главные выводы:

1. Если на тело не действуют другие тела, то оно либо находится в состоянии покоя, либо движется равномерно и прямолинейно (по инерции).
2. Изменить состояние покоя или движения тела можно только воздействием на него другого тела или тел.

Масса тела и плотность вещества

Одинаково ли легко изменить скорость различных тел? Мимо нас пролетает комар. Трудно ли изменить его скорость? Достаточно просто дунуть (рис. 117, а). А если проезжает груженый автомобиль МАЗ (рис. 117, б)? Инерция есть у всех тел, но это свойство проявляется у них в разной степени. Оно почти незаметно у комара, но очень заметно у автомобиля, для изменения скорости которого требуются большие и длительные воздействия.

Для характеристики инерции тела в физике используется физическая величина, называемая массой. Чем массивнее тело, тем труднее изменить его скорость, тем больше оно противится таким изменениям. Масса тела — мера его инерции. Иногда говорят: мера его инертности.

Обозначим массу тела буквой m. Основной единицей массы в СИ является 1 килограмм (1 кг). Полезно знать, что 1 л воды при комнатной температуре имеет массу, практически равную 1 кг. Соответственно, масса 1 мл равна 1 г. Обратите внимание! В килограммах измеряется единственная физическая величина — масса.

От чего зависит масса тела? Сравните разгон и торможение груженого и порожнего автомобилей. Понятно, что масса тела зависит от количества вещества в теле (от числа молекул). Дело в том, что массой (т. е. инерцией) обладает каждая молекула, поэтому массу всего тела можно рассматривать как сумму масс всех его молекул. Будут ли одинаковыми массы тел, если они содержат одинаковое число молекул? Да, если тела состоят из одного и того же вещества. Нет, если тела состоят из различных веществ (например, алюминиевая и золотая ложки). А теперь сравним массы разных веществ, имеющих одинаковый объем.

Задумайтесь над вопросом: какую тележку легче сдвинуть с места — нагруженную сухими дровами (рис. 118, а) или нагруженную камнями (рис. 118, б), имеющими равный с дровами объем? Конечно, тележку с дровами. Ее масса меньше. Значит, масса единицы объема дров и единицы объема камней разная.

Масса вещества, содержащегося в единице объема, называется плотностью вещества.

Чтобы найти плотность, необходимо массу вещества разделить на его объем. Плотность обозначается греческой буквой  (ро). Тогда

Единицей измерения плотности в СИ является  Плотности различных веществ определены на опыте и представлены в таблице 3.

На рисунке 119 изображены массы известных вам веществ в объеме

У большинства веществ плотность в твердом состоянии больше, чем в жидком. Например, плотность олова в твердом состоянии  а в жидком (при температуре 400 °С)

Плотность вещества в жидком состоянии больше, чем в газообразном. Чем это можно объяснить? Вспомните о различии в расстояниях между молекулами. Самые большие расстояния — между молекулами газа. Поэтому плотность сжиженного воздуха (при -194 °С) равна а в газообразном состоянии — (при 0 °С).

Зная плотность и объем тела, легко найти массу:

Формулу можно использовать не только для однородных тел, но и для тел, имеющих полости или состоящих из разных веществ. Только в этом случае формула выражает среднюю плотность тела (сравните со средней скоростью):

Для любознательных:

Твердое вещество, состоящее из молекул (лед), имеет плотность жидкое (вода) —

Вы заметили особенность? Плотность льда меньше плотности воды, что указывает на более плотную упаковку (т. е. меньшие промежутки) молекул в жидком состоянии вещества (вода), чем в твердом (лед).

Из всех видов деревьев наименьшей плотностью обладает древесина бальзового дерева  растущего в тропиках Центральной и Южной Америки.

Средняя плотность Вселенной ничтожно мала  а вещество нейтронных звезд имеет очень большую плотность

Главные выводы:

1. Чем больше масса тела, тем труднее изменить скорость его движения.
2. Плотность вещества показывает, какая масса вещества содержится в единице его объема.
3. Плотность вещества в различных агрегатных состояниях разная.
4. Тела, состоящие из разных веществ, характеризуются средней плотностью.

Пример №5

Средняя плотность тела человека примерно равна плотности воды. Зная свою массу, вычислите объем тела.

Дано:

Решение

Определим с помощью весов свою массу m. Например, m = 50 кг. Тогда объем тела 

Ответ: 

Сила

Изменить скорость движения тела можно воздействием на него другого тела. Чем больше это воздействие, тем сильнее изменяется скорость. Напрягая мышцы рук, вы увеличиваете скорость тележки. Ваш старший брат или отец может сильнее подействовать на тележку и увеличить скорость ее движения больше.

С помощью какой физической величины можно количественно определить, насколько сильно воздействует одно тело на другое, например человек на тележку? Такой величиной является сила.

Сила — количественная мера воздействия одного тела на другое.

В приведенном примере результатом воздействия является изменение скорости, значит, сила — причина изменения скорости движения тела.

Однако действие одного тела на другое приводит не только к изменению скорости. Подействуем на пружину гирей (подвесим ее к пружине) (рис. 120, а). Действие гири на пружину вызывает ее удлинение (рис. 120, б). Гиря, стоящая на тонкой доске (рис. 121), прогибает ее. Сжимая пальцами ластик, вы изменяете его форму. В этих случаях действие одного тела на другое, т. е. сила, вызывает изменение размеров или формы тела.

Изменение размеров или формы тела называется деформацией. Значит, сила является не только причиной изменения скорости, но и причиной деформации тела. Чем больше сила, тем больше деформация. Действительно, подействуйте на пружину более тяжелой гирей, т. е. большей силой, и растяжение пружины будет больше (рис. 122).

Сила не может существовать сама по себе. Если мы говорим, что на тело действует сила, это означает только то, что на тело действует другое тело.

Обычно силу обозначают буквой F и изображают в виде стрелки. Направление стрелки указывает направление действия силы. Начало стрелки совпадает с точкой приложения силы. Абсолютное число, выражающее длину стрелки, называют модулем силы.

Итак, сила характеризуется модулем, направлением и точкой приложения. Пусть на одинаковые пружины действуют две одинаковые гири (рис. 123). Одна пружина растягивается под действием гири, другая — сжимается. Модули действующих на пружины сил одинаковы, но направления у сил разные.

На рисунке 124 изображены два тела (арбуз и яблоко), действующие на стол с одинаково направленными, но имеющими разные модули силами. Эти силы приложены к крышке стола в точках  и  и направлены вертикально вниз. Модуль силы  больше модуля силы 

Чаще всего тело испытывает не одно, а сразу два или более действий, причем иногда противоположного направления. Как изменится скорость движения тела в этом случае? Если модули противоположно направленных сил равны, то, как и в математике при сложении равных но модулю, но противоположных но знаку чисел, мы получим в результате нуль. Такие силы мы будем называть компенсирующими друг друга. В этом случае, как и при отсутствии сил, скорость тела изменяться не будет. На рисунке 125 силы, приложенные к одному и тому же телу (ветке), компенсируют друг друга, и тело находится в состоянии покоя.

Для любознательных:

В повседневной жизни слово «сила» часто используется в сочетаниях «сила огня», «сила духа», «сила воли» и т. д. В физике слово «сила» употребляется только в смысле количественной меры такого воздействия, которое либо меняет скорость движения тела, либо деформирует его, либо вызывает то и другое одновременно. Действие даже самой малой силы обязательно приводит к тому или иному результату. От нажатия на стол пальцем крышка стола неизбежно прогнется, хотя это не всегда заметно.

Главные выводы:

1. Сила является количественной мерой воздействия одного тела на другое.
2. Сила является причиной изменения скорости движения тела и его деформации.
3. Сила характеризуется модулем, направлением и точкой приложения.

Явление тяготения и сила тяжести

Посмотрите на глобус. Это модель Земли. Земля имеет форму, близкую к форме шара. Нам это кажется естественным. Но каково было недоумение людей, впервые услышавших об этом! Они никак не могли поверить, что люди, живущие на противоположной стороне Земли (рис. 126), не падают в бездну.

Почему люди одинаково устойчивы в любом месте Земли? Земля притягивает к себе все тела.

Если бы Земля не обладала притяжением, брошенные горизонтально или вверх тела, двигаясь но инерции, никогда не вернулись бы на Землю. Тем не менее мяч, брошенный вертикально вверх, возвращается обратно (рис. 127, а). Траектория мяча, брошенного горизонтально, но мере движения искривляется (рис. 127, б). Спутник движется вокруг Земли по круговой орбите (рис. 127, в). Искривление траектории мяча, спутника есть также результат притяжения этих тел к Земле.

Сила, с которой Земля притягивает к себе тело, называется силой тяжести.

Зависит ли сила тяжести от массы тела? Конечно, да. Из жизненного опыта мы хорошо знаем, что, чем больше масса налитой в ведро воды, тем труднее его удерживать. Слона Земля притягивает гораздо сильнее, чем зайца (рис. 128).

Во сколько раз увеличивается масса тела, во столько раз возрастает сила тяжести Иначе говоря, действующая на тело сила тяжести прямо пропорциональна массе тела:

где  — коэффициент пропорциональности (о его числовом значении вы узнаете из § 25).

Сила тяжести направлена вертикально вниз (рис. 129) и приложена к центру однородного тела.

А обладают ли другие планеты притяжением, как Земля? Английский физик и математик Исаак Ньютон пришел к выводу, что притяжение свойственно всем планетам и вообще любому телу, обладающему массой, т. е. всем телам Вселенной. Поэтому явление взаимного притяжения тел названо всемирным тяготением.

Для любознательных:

Сила тяжести зависит не только от массы тела, которое притягивается, но и от массы того тела, которое притягивает (Земля, Луна и др.).

Все небесные тела притягивают к себе любые другие тела. Но так как массы и размеры небесных тел различны, то разной будет и действующая сила притяжения. Так, на Луне сила тяжести, действующая на тело, будет почти в 6 раз меньше, чем на Земле.

Масса Земли очень большая:   поэтому ее притяжение так велико. Земля притягивает не только тела, находящиеся на ее поверхности, но и удаленные от нее (искусственные спутники, Луну). Но мере удаления сила притяжения уменьшается (уменьшается ), но сохраняется прямо пропорциональная зависимость силы тяжести от массы тела.

Еще сильнее притяжение Солнца, так как его масса примерно в 300 000 раз больше массы Земли. Именно поэтому Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца.

Главные выводы:

1. Все тела во Вселенной обладают свойством притягивать к себе другие тела.
2. Сила, с которой Земля притягивает к себе тело, называется силой тяжести.
3. Сила тяжести, действующая на тело, прямо пропорциональна его массе.

Пример №6

Плотность железного бруска в  раз больше плотности деревянного. Объем железного бруска в  раз меньше объема деревянного. Во сколько раз отличаются силы тяжести, действующие на бруски?

Дано:

Решение

Силы тяжести, действующие на бруски, равны:

Массы брусков равны: 

Отношение сил: 

Ответ: 

Сила упругости

На горизонтальном столе лежит шар. Как и на всякое тело, на него действует сила тяжести  (рис. 132, а). Но почему он не падает вниз? Этому препятствует опора (крышка стола). В чем выражается действие опоры на лежащее на ней тело?

Из § 21 вы знаете, что приложенная к телу сила (даже очень большая) не вызывает изменения скорости движения тела, если она скомпенсирована (уравновешена) приложенной к нему противоположно направленной другой силой. Как возникает эта другая сила? В приведенном примере шар, притягиваясь Землей, давит на крышку стола. Сила давления  приложена к крышке стола и направлена вниз (рис. 132, б). Действуя на крышку, эта сила прогибает ее, т. е. деформирует крышку, хотя данная деформация и не заметна для глаз.

Вас. не должно удивлять утверждение, что любая, даже незначительная, сила давления (например, сила давления мухи, севшей на стол) вызывает деформацию. Деформации поверхности стола, на которую давит гиря, не видно. Но попробуйте положить под гирю поролон (рис. 133), и вы заметите его прогиб, т. е. деформация станет очевидной.

Вернемся к примеру с шаром. Деформированная опора, стремясь распрямиться, действует на шар с силой, направленной вверх (рис. 134), — силой упругости. Именно сила упругости  и компенсирует действие силы тяжести 

Проделаем еще один опыт. Подвесим шар к пружине, укрепленной на штативе. Шар, притягиваясь к Земле (рис. 135, а), движется и растягивает (деформирует) пружину. Деформирующая сила  приложена к пружине и направлена вниз. Но движение шара не продолжается неограниченно. Что же препятствует движению?

Как и в случае с лежащим шаром, сила упругости  Она приложена к висящему шару, направлена противоположно деформирующей силе и равна ей по числовому значению. А теперь поместим шар на пружину сверху (рис. 135, б). Пружина сожмется под действием силы давления приложенной к ней. Препятствовать движению шара будет сила упругости с которой пружина действует на шар.

Итак, сила, действующая на тело со стороны деформированной опоры или подвеса, называется силой упругости.

Вы заметили закономерность? Сила упругости  приложена к телу, вызвавшему деформацию опоры или подвеса. Она противоположна но направлению и численно равна деформирующей силе Но стоит убрать деформирующую силу — и растяжение, сжатие или прогиб исчезают, т. е. деформированное тело (пружина, стол) восстанавливает свои первоначальные размеры и форму.

Для любознательных:

Иногда после действия большой деформирующей силы тело не возвращается к первоначальной форме. Например, покупая в магазине батон, вы определяете его свежесть, деформируя специальной ложкой. При действии на батон небольшой силы он после снятия воздействия восстанавливает форму, но если вы переусердствуете, нажимая ложкой, батон так и не сможет избавиться от своего непривлекательного деформированного вида.

Поскольку сила упругости возникает в ответ на воздействие (опора, подвес реагируют на воздействие), то силу упругости часто называют еще силой реакции.

Главные выводы:

1. Сила упругости (сила реакции) возникает в ответ на действие деформирующей силы.
2. Сила упругости приложена к телу, вызвавшему деформацию опоры или подвеса.
3. Сила упругости противоположна деформирующей силе, но их модули равны.

Вес тела

При взаимодействии тел на каждое из них со стороны другого действует сила. Рассмотрим действие друг на друга тела и его горизонтальной опоры или тела и его вертикального подвеса.

На рисунке 140 представлены различные тела. Каждое из этих тел, притягиваясь к Земле, действует на опору или подвес с силой, которая вам хорошо знакома из предыдущего параграфа. Это сила давления на опору или сила натяжения подвеса. Иначе эту силу называют весом тела.

Почему тело действует на опору или подвес? Потому что его притягивает Земля. Неподвижные опора или подвес не позволяют телу падать и сами испытывают действие силы.

Вес — это сила, с которой тело вследствие притяжения Земли действует на опору или подвес.

Обозначим вес буквой Р и укажем вес каждого тела на рисунке 140. Вес мяча приложен к опоре (крышке стола), направлен вниз и является уже известной вам силой давления. Вес собаки приложен к земле в местах соприкосновения ее лап с землей и равен сумме четырех сил:

Определите сами и изобразите вес всех ос шальных тел, представленных на рисунке 140.

А теперь еще раз сравним силу тяжести и вес тела. У этих сил есть общее: они вызваны притяжением Земли. Эти силы очень часто (подчеркиваем — часто, но не всегда) численно равны друг другу. Но у силы тяжести и веса есть различия.

Во-первых, они приложены к разным телам: сила тяжести — к телу (шару), а вес. — к опоре или подвесу (крышке стола, нити) (рис. 141, а, б).

Во-вторых, сила тяжести в данном месте Земли имеет строго определенное значение а вес тела может быть не только равен, но и больше или меньше этого значения.

Докажем это с помощью опыта. Подвесим груз на пружине (рис. 142, а). Если мы будем равномерно поднимать и опускать этот груз, то удлинение пружины, а значит, и сила упругости и вес груза будут оставаться такими же, как в случае неподвижного груза. Но если мы неравномерно (с разгоном) опустим (рис. 142, б) или поднимем (рис. 142, в) груз в вертикальном направлении, то будут наблюдаться изменения в растяжении пружины, что указывает на изменения веса тела.

Для любознательных:

Вам известно, что действующая на тело сила тяжести на других планетах может быть как больше, так и меньше, чем на Земле. Значит, и вес тела на этих планетах будет другим.

А может ли тело вообще потерять вес? Космонавты и все тела в космическом корабле свободно парят, не оказывая действия на опору или подвес, т. е. их вес Р = 0. Это состояние тела называется невесомостью.

Невесомость можно создать и на Земле. Пустим свободно падать груз вместе с пружиной. Пружина не растягивается, а, значит, вес груза равен нулю. Это и есть невесомость.

Главные выводы:

1. Вес тела — сила, приложенная к опоре или подвесу.
2. Вес неподвижного или равномерно движущегося тела численно равен силе тяжести.
3. Вес тела, движущегося неравномерно, может изменяться и быть больше силы тяжести, меньше и даже равным нулю.

Единица силы и измерение силы

Сила характеризуется числовым значением (модулем), направлением и точкой приложения. Чтобы определить числовое значение силы, нужно измерить силу, т. е. сравнить ее с другой силой, принятой в качестве единицы силы. Что принято за единицу силы?

Главный результат действия силы — изменение скорости движения тела, которая сама по себе никогда не изменяется. Исходя из этого, была выбрана в СИ единица силы — 1 ньютон (1 Н), названная в честь английского ученого Исаака Ньютона. Существуют кратные и дольные единицы силы: 1 кН = 1000 Н, 1 мН = 0,001 Н.

Сила, как вы знаете, может не только изменить скорость, но и вызвать деформацию тела. Пружина растягивается (рис. 143), потому что на нее действует вес груза, который притягивает Земля.

Какой массой должно обладать тело, чтобы действующая на него сила тяжести равнялась 1,0 И? Исследования показали, что с силой F = 1,0 Н Земля притягивает тело массой m = 0,102 кг.

Определим значение коэффициента , входящего в формулу силы тяжести Из формулы видно, что Так как на тело массой 0,102 кг Земля действует с силой то:

Значит, если масса тела равна 1,0 кг, то действующая на него сила тяжести Следовательно, и вес этого тела (если оно находится в состоянии покоя или движется равномерно) Р = 9,8 Н. Ни в коем случае нельзя приравнивать вес и массу, что, к сожалению, часто встречается в быту. Это разные физические величины, и единицы у них разные. Масса измеряется в килограммах, вес — в ньютонах (рис. 144). Если ваша масса m = 50 кг, то ваш вес

Как измерить силу? Для этого нужно создать измерительный прибор. Будем подвешивать к пружине сначала одну гирю массой m = 102 г = = 0,102 кг, затем две, три и т. д. Отметим метками положения указателя (рис. 145), напротив которых ставим значения 1 Н, 2 Н, 3 Н и т. д.

Пружина с указателем и шкалой представляет собой прибор для измерения сил — динамометр (от греч. dynamis — сила и metreo — измеряю) (рис. 146). Динамометром можно измерять не только вес тела, но и любые силы.

Динамометры бывают различных типов и размеров в зависимости от того, для измерения больших или малых сил они предназначены. Для измерения мускульной силы руки используют динамометр силомер (рис. 147, а). Определить силу тяги трактора позволяет тяговый динамо метр (рис. 147, б).

Для проведения различных исследований удобен динамометр с реечной передачей (рис. 148). Он позволяет измерять не только силу, направленную вниз, например создаваемую лежащим на опоре А телом (рис. 148, а), или вес подвешенного 1 к подвесу Б тела. Таким динамометром можно измерить и силу, направленную вверх (рис. 148, б).

Для любознательных:

Значение коэффициента , равное характерно только для Земли (оно несколько изменяется в зависимости от географической широты места и от высоты подъема тела над поверхностью Земли; с увеличением высоты значение  уменьшается).

Для Луны этот коэффициент в б раз меньше, т. е.   для Юпитера Для Солнца (почти в 30 раз больше, чем для Земли).

Главные выводы:

1. В СИ единицей силы является 1 ньютон.
2. Силу измеряют с помощью динамометра.
3. С силой F = 1 Н Земля притягивает тело массой m = 0,102 кг.
4. В формуле силы тяжести, с которой Земля действует на тело, постоянный коэффициент 

Пример №7

Зависимость силы тяжести, действующей на песок в песочных часах, от его объема представлена на рисунке 149. Определите плотность песка. Коэффициент  примите равным 

Решение

Плотность песка  Масса песка  Силу тяжести для данного объема песка, например  определим по данным графика  Тогда  

Ответ: 

• Заказать решение задач по физике

Сложение сил и равнодействующая сила

На любое тело действует хотя бы одна сила — сила тяжести. Но чаще всего на тело действует несколько сил. Например, на шарик (рис. 151) действуют Земля и нить (две силы). Каков результат их действия?

Решим такую задачу. Вы с другом перевозите на тележке груз, причем один из вас тянет тележку, прикладывая силу другой толкает ее, действуя с силой (рис. 152). Какова сила, которая двигает тележку?

Эта сила А изменилось бы движение тележки, если бы ее тянул один человек, прикладывая силу F = 180 Н? Нет, эффект был бы таким же. Значит, одна сила F оказывает на тележку такое же действие, как две одновременно действующие силы и

Сила, которая оказывает на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих на него сил, называется равнодействующей этих сил.

Как направлена равнодействующая? Проведем опыт. К нижнему крючку динамометра подвесим груз весом а на столик поместим груз весом (рис. 153, а). Динамометр показывает действие на него силы F = 4 Н. Сила F — сумма весов нижнего и верхнего грузов. Эти силы направлены вертикально вниз. Заменим два груза одним весом 4 Н и подвесим его к динамометру (рис. 153, б). Динамометр показывает, что действие одного груза такое же, как и двух грузов весом и Значит, сила  — равнодействующая двух сил, приложенных к динамометру. Изобразим эти силы схематически (см. рис. 153, в).

Модуль равнодействующей сил, действующих на тело в одном направлении но одной прямой, равен сумме модулей этих сил. Направление равнодействующей такое же, как и отдельных сил.

Изменим опыт: с помощью другого динамометра подействуем на данный динамометр вверх силой (рис. 154, а). Приложенные к динамометру силы направлены в противоположные стороны. Динамометр показывает силу Это и есть равнодействующая двух противоположно направленных сил. Она направлена вверх, что подтверждается изменением направления поворота стрелки реечного динамометра.

Значит, действие двух противоположно направленных сил можно заменить одной силой, модуль которой равен разности модулей двух приложенных сил и которая направлена в сторону большей силы (рис. 154, б).

А если силы  и  имеют равные модули? Тогда равнодействующая сила равна нулю. Происходит компенсация сил (см. § 21).

Ответим еще на один важный вопрос: как ведет себя тело при скомпенсированных силах, т. е. при нулевом значении равнодействующей?

Проведем опыт. Возьмем пенопластовую пластинку А очень малой массы. Подействуем на пластинку одинаковыми по модулю силами упругости нитей  и  (рис. 155). Других сил нет. Силой тяжести, действующей на пластинку, можно пренебречь. Равнодействующая сил  и  равна нулю. Пластинка находится в состоянии покоя. Толкнем пластинку. Она придет в движение и, если трение мало, будет двигаться равномерно, т. е. с постоянной скоростью. Но после прекращения толчка на пластинку по-прежнему действуют только силы  и , их равнодействующая равна нулю. Опыт позволяет сделать очень важный вывод: если равнодействующая сил, приложенных к телу, равна нулю, тело находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. Приведите примеры, подтверждающие этот вывод.

А если продолжить опыт и подвесить к одной нити два груза, а к другой — три? Пластинка придет в движение с увеличивающейся скоростью (рис. 156), ведь равнодействующая сил упругости нитей  и , приложенных к пластинке, уже не будет равна нулю.

Внимание! Находить равнодействующую можно только для сил, приложенных к одному телу.

Для любознательных:

Если приложенные к телу силы действуют не вдоль одной прямой, то модуль равнодействующей силы не равен арифметической сумме этих сил. В показанном на рисунке опыте приложенные силы —  = 3 Н,  = 4 Н — перпендикулярны друг другу, а модуль равнодействующей F равен не 7 Н, а 5 Н, т. е. меньше суммы

Главные выводы:

1. Действие нескольких сил, приложенных к телу, можно заменить одной силой — их равнодействующей.
2. Направление равнодействующей двух сил, действующих вдоль одной прямой, совпадает с направлением большей из них.
3. Если равнодействующая сил, приложенных к телу, равна нулю, то оно либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.
4. Если равнодействующая всех сил, приложенных к телу, не равна нулю, скорость тела изменяется.

Пример №8

На автомобиль массой m = 2,0 т, движущийся равномерно по прямолинейному горизонтальному участку шоссе, действует сила сопротивления движению Определите силу тяги, развиваемую двигателем автомобиля. Изобразите все силы, действующие на автомобиль (масштаб: 0,5 см — 4000 Н). Найдите их равнодействующую.

Дано:

Решение

Если автомобиль движется равномерно, то равнодействующая всех сил, приложенных к нему, равна нулю. На автомобиль действуют: сила тяжести  сила упругости  сила тяги  сила сопротивления 

Изобразим  в рекомендуемом масштабе (рис. 157). Так как движение автомобиля равномерное, то равнодействующая сил:

Аналогично  значит, 

Ответ: 

Трение и сила трения

Кто из вас не катался с горы на санках? Приобретя большую скорость, санки (рис. 158), выехав на горизонтальный участок, останавливаются. Почему? Вспомните, что действующая на тело сила может изменить скорость его движения. Этой силой является сила трения скольжения. А что нужно сделать, чтобы санки продолжали движение с той же скоростью? Необходимо скомпенсировать силу трения. Для этого следует тянуть санки горизонтально с силой, равной по модулю силе трения. От чего зависит сила трения?

Проведем опыт. Будем с помощью динамометра равномерно перемещать брусок по горизонтальной поверхности стола (рис. 159). Динамометр показывает, что на брусок действует сила тяги, но скорость движения бруска не изменяется. Значит, на брусок действует еще одна сила компенсирующая сила. Этой силой является сила трения Равнодействующая сил и равна нулю. Обратите внимание, что модуль силы трения равен модулю силы тяги только в случае равномерного прямолинейного движения. Если же модуль силы тяги больше модуля силы трения, скорость движения тела будет возрастать. А если меньше — убывать.

Итак, сила трения скольжения возникает при движении одного тела но поверхности другого и направлена в сторону, противоположную движению.

Почему возникает сила трения? Продолжим опыт. Будем равномерно перемещать брусок сначала по шероховатой, затем по обработанной поверхности доски. Сила тяги будет больше при движении по шероховатой поверхности (рис. 160, а). Значит, и модуль равной ей силы трения будет тем больше, чем более шероховатой, неровной окажется поверхность. При движении неровности цепляются друг за друга, деформируются, разрушаются. Это создает препятствия движению. А если бы поверхности были идеально гладкие, то возникла ли бы сила трения при движении одного тела по поверхности другого? Не спешите ответить «нет». При хорошо отполированных поверхностях расстояние между поверхностями тел или их участками при движении тел так мало, что станут существенными силы притяжения молекул поверхности одного тела к молекулам поверхности другого. Эти силы будут тормозить движение тел.

Значит, шероховатость поверхностей и силы притяжения между молекулами соприкасающихся поверхностей — причины возникновения сил трения.

Если при движении соприкасаются твердые поверхности тел, трение называют сухим.

От чего еще зависит сила сухого трения? Дадим ответ, исходя из опыта. Будем равномерно двигать брусок по различным поверхностям: по металлической, деревянной, резиновой — с примерно одинаковым качеством обработки (рис. 161). Динамометр показывает различную силу тяги. Следовательно, силы трения дерева но металлу, дерева по дереву, дерева по резине будут различны. Наибольшая сила трения возникнет при движении по поверхности резины. Не случайно подошвы в спортивной обуви (рис. 162) делают резиновыми и рельефными.

Поставим теперь на брусок гирю и сравним силы трения при равномерном движении ненагруженного бруска (рис. 163, а) и бруска с гирей (рис. 163, б). Видно, что во втором случае сила тяги, а значит, и сила трения увеличились. Но брусок с гирей с большей силой давит на поверхность, с которой соприкасается. Следовательно, сила трения тем больше, чем больше сила, прижимающая тело (брусок) к поверхности.

Как уменьшить трение? Здесь есть два пути. Первый — заменить трение скольжения трением качения. Проделаем такой опыт. Будем равномерно передвигать металлическую тележку по столу скольжением (рис. 164, а) и качением (рис. 164, б). Сила трения во втором случае значительно меньше, хотя материал поверхностей и прижимающая сила не изменяются. Значит, трение качения меньше трения скольжения. С тяжелым чемоданом справиться легко, если прикрепить к нему колеса.

Второй путь уменьшения трения скольжения — это смазывание трущихся поверхностей. Смазка (например, масло) заполняет все неровности трущихся поверхностей и располагается тонким слоем между ними так, что поверхности перестают касаться друг друга. При этом сухое трение заменяется трением слоев жидкости (масла), а оно в 8—10 раз меньше.

Опытный водитель никогда не отправится в далекий путь, не проверив, достаточно ли масла в двигателе машины. Объясните, зачем он это делает.

Для любознательных:

А знаете ли вы, что с помощью катков перемещают дома? Например, в городе Москве во время реконструкции улицы Тверской некоторые дома были передвинуты на другое место именно таким способом.

В машинах для замены трения скольжения трением качения используют шариковые и роликовые подшипники (см. рис.). Подшипники диаметром 1,5—2 мм применяют в точных измерительных приборах. Вращающийся вал машины или другого механизма не скользит но неподвижному вкладышу подшипника, а катится по нему на стальных шариках или роликах. Это снижает трение в 20—30 раз.

Главные выводы:

1. Сила трения скольжения возникает при движении одного тела по поверхности другого.
2. Сила трения скольжения направлена против движения.
3. Сила трения зависит от свойств соприкасающихся поверхностей и силы, прижимающей тело к поверхности.