Понятие силы. Взаимодействие тел.

1. Разные взаимодействия тел
2. Определение силы
3. Сила тяжести
4. Сила упругости
5. Закон Гука
6. Вес как частный случай силы упругости
7. Единицы силы
8. Формула для силы тяжести

В окружающем мире происходит постоянное взаимодействие физических тел друг с другом. Взаимодействие тел оказывает влияние на их скорость. Скорость тела после взаимодействия может изменять собственное направление, а также уменьшаться или же увеличиваться.

Изменение скорости тела обратно пропорционально его массе. Чем меньше масса, тем интенсивнее изменяется его скорость после осуществления взаимодействия.

Разные взаимодействия тел

Разберем конкретные примеры взаимодействия тел, чтобы выяснить, что, именно, изменяется в различных случаях:

1. Толкание детской коляски приводит ее в движение.
2. Если расположить на столе какой-нибудь предмет из металла, а на небольшом расстояние положить магнит, то гвоздики начнут двигаться. Действие магнита оказывает влияние на изменение скорости. В результате, все будут собраны рядом с магнитом.
3. Удар ракеткой по мячику поменяет его направление движения.
4. Надавливание рукой на пружину с шариком приведет к ее сжатию. Происходит переход движения в конец пружины и передача другим ее элементам. Действующее тело при сжатии – рука, а при распрямлении – сама пружина, так как она приводит шарик в движение.

Каждый из вышеприведенных примеров подтверждает тот факт, что скорость тела изменяется при взаимодействии его с другими телами.

Стоит заметить, что взаимодействие приводит и к другим различным изменениям. Надавливание на игрушку из резины приведет к ее сжатию. Иными словами, она поменяет собственную форму, а значит – деформируется.

Под деформацией понимается любое изменение размера и формы тела.

Если человек присядет на тонкую доску, держащуюся на специальных опорах, то она прогнется. Произойдет сдвиг середины доски на большее расстояние вниз, чем по бокам.

Определение силы

Каждый из нижеприведенных пунктов говорит, что существует определенная сила, которая действует на тело:

• изменение скорости;
• изменение формы тела;
• изменение направления движения тела;
• изменение размера тела.

При различной приложенной силе к телам можно достигнуть одинаковой скорости движения тел. К примеру, человеку для поднятия маленькой гантели необходимо меньшее количество силы, чем для поднятия большой гантели.  Поэтому сила может иметь разные значения.

Под силой понимается физическая векторная величина, которая является мерой взаимодействия тел и приводит к изменению скорости движения тел и изменения их элементов.

Сила обладает:

• числовым значением, модуль которой имеет обозначение в виде буквы F без стрелки;
• направлением, обозначаемым буквой F со стрелкой наверху.

Сила всегда прикладывается к конкретной точке какого-либо тела. Итог действия силы на тело зависит от трех моментов:

1. Точка приложения.
2. Модуль.
3. Направление.

Сила тяжести

Под силой тяжести понимается такая сила, с которой Земля осуществляет притягивание к себе тела.

Сила тяжести обладает числовым значением и имеет обозначение в виде F_тяж.

Сила тяжести приложена к центральной точке тела и всегда имеет направление вертикально вниз.

Наша планета имеет неидеальную форму шара, сплюснутую около полюсов. По этой причине сила тяжести на полюсах имеет более высокие показатели, чем на других местах Земли.

Отметим, что сила тяжести прямо пропорциональна массе тела.

То есть, если взять 2 тела с различными массами, то:

1. Тело с большей массой – тяжелее, ведь оно имеет более высокую силу притяжения.
2. Тело с меньшей массой – легче, ведь имеет более слабую силу притяжения.
3. Сила тяжести отличается во столько раз, во сколько отличается масса двух рассматриваемых тел.
4. При одинаковой массе тел действует одинаковая сила тяжести.

Сила упругости

На каждое тело действует сила тяжести, но существует конкретная сила, которая уравновешивает ее – сила упругости.

Начнем разбор силы упругости с рассмотрения простейшего опыта.

Доска кладётся на 2 бруска. На саму доску ставится гиря. Доска начинает прогибаться. Это объясняется тем, что на гирьку оказывает влияние сила тяжести. Она начинает движение вниз и прогибает доску. Происходит деформирование доски из-за взаимодействия с гирькой (появляется еще одна некая сила, с которой доска оказывает действие на гирьку).

Сила тяжести, которая действует на гирьку, имеет вертикальное направление вниз, а вторая сила имеет вертикальное направление вверх. По этой причине произошло уравновешивание сил тяжести. Такую силу наименовывают силой упругости.

Подытожим:

Под силой упругости понимают силу, появляющуюся в теле в результате его деформирования и стремящуюся вернуть тело в первоначальное положение.

Сила упругости является векторной величиной.

Возвращаясь к вышеприведенному примеру, стоит заметить, что чем больше прогиб доски, тем больше сила упругости. Остановка опоры и тела происходит в тот момент, когда силы тяжести и упругости становятся равными. Таким образом они переходят в состояние равновесия.

Виды деформации

Разберем простой пример, в котором определенное тело подвешено на нити. Нить в таких моментах обычно наименовывают подвесом. При подвешивании тела происходит растягивание нити. Иными словами, в нити возникает сила упругости.

Сила упругости увеличивается при большем растягивании нити. Растяжение прекращается в тот момент, когда силы упругости и тяжести уравниваются.

Сила упругости появляется при деформации тел. При исчезновении деформации происходит исчезновение и силы упругости.

Существует два вида деформации тела:

1. Неупругая. Тело изменяет размеры и форму после взаимодействия. Альтернативное название – пластическая.
2. Упругая. Тело возвращается в первоначальное состояние.

Упругая деформация подразделяется на несколько разных видов:

1. Растяжение.
2. Сжатие.
3. Изгиб.
4. Сдвиг.
5. Кручение.

Примеры деформации

Начнем разбор нескольких примеров, в которых происходит деформация:

• игра на гитаре – непродолжительное растяжение струн;
• посадка в автотранспортное средство – сжатие пружин подвески;
• прогиб тонкой доски под более тяжелым телом;
• затягивание шурупа – кручение инструментом;
• движение расшатанного стола – осуществление сдвига элементов стола относительно пола.

Закон Гука

Английский изобретатель и физик Роберт Гук установил зависимость силы упругости от деформации тела.

Для понимания работы необходимо рассмотреть простой пример, позволяющий определить зависимость силы упругости от деформации.

Имеется специальный штатив с прикрепленным к нему шнуром из резины. Производим измерение его длины и обозначаем в виде l0.

На следующем этапе подвешиваем к шнуру специальную чашечку с гирькой. Происходит удлинение шнура. Повторно производим измерение его длины и обозначаем в виде l.

Изменение длины шнура произошло после выполнения действий. Данное изменение находится по следующей формуле:

Δl=l−l₀

Δl является изменением длины. Символ «дельта» применяется для обозначения различных изменений между показателями величины.

Изменение длины шнура будет происходить при изменении гирьки на чашечке. Иными словами, будет происходить его деформация.

Сам закон Гука имеет следующую формулу:

F_упр=k_Δl

Δl является изменением длины тела, а k – коэффициентом пропорциональности, наименовываемый жесткостью.

Жесткость тела зависит от следующих его факторов:

• форма;
• размер;
• материал.

Вес как частный случай силы упругости

Опора деформируется, когда на нее ставится какое-либо тело. При подвешивании тела происходит деформация подвеса. Но такая деформация видна не всегда.

К примеру, когда ученик кладет на парту книгу происходит деформирование парты под весом книги. Но ее невозможно заметить. Деформирование книги самой партой тоже не видно. В любом случае, это процессы происходят.

Для понимания вопроса рассмотрим пример, в котором эти процессы будут заметны.

Имеется штатив и шнур из резины, длина которого составляет l0. На шнурок подвешивается маленький мешочек, в который насыпан песок.

Растягивание и остановка шнура происходит в тот момент, когда сила тяжести уравнивается с силой упругости. Произошло изменение длины шнура и теперь она равняется l.

Произошло взаимодействие 2-х тел: мешочка и резинового шнура. Они оба деформировались.

На следующем этапе отрежем шнур. Сила тяжести действует на мешочек с песком во время падения, а затем он выполняет восстановление собственной формы. Шнур из резины тоже восстанавливает первоначальную форму.

В момент падения мешочка на поверхность происходит повторное деформирование. Участниками взаимодействия теперь являются тело и опора.

В этот момент незаметна деформация опоры, но если бы, вместо поверхности была тонкая доска на брусках, то ее прогиб был бы заметен. Все эти процессы доказывают, что при взаимодействии 2-ух тел происходит деформация обоих.

Единицы силы

Сила является физической векторной величиной, которая имеет числовое значение и направление. Для определения числового значения необходимо определить единицу измерения. За эту единицу можно взять любую силу, к примеру, силу тяжести, действующую на определенное тело. Можно взять и силу упругости пружины, которая растянута до некоторой длины.  Разберем все более детально.

При изменении скорости тела можно говорить, что на него оказывает действие некая сила.

Сила измеряется в Ньютонах (1 Н). Она имеет свое наименование в честь английского астронома, механика и физика Исаака Ньютона.

Также используются такие единицы, как килоньютон и миллиньютон, обозначаемые кН и мН:

• ​1 килоньютон равен 1000 ньютонов.
• 1 ньютон равен 0,001 килоньютонов и 1000 миллиньютонов.
• 1 миллиньютон равен 0,001 ньютонов.

Формула для силы тяжести

Разберем силу тяжести, равную одному ньютону.

Существует множество доказательств, что с такой силой (1 Н) происходит притягивание к Земле тел, масса которых приблизительно равно 0,1 килограмма. Максимальная точное значение – сто два грамма.

Известно, что сила тяжести прямо пропорциональна массе тела, которое рассматривается. Если взять 2 тела с различными массами, то во сколько раз отличны друг от друга массы 2-х тел, то во столько раз будут отличны силы тяжести, которые действуют на них.

На конкретное тело, масса которого  килограмм действует сила тяжести в 1 ньютон.

Берем тело, масса которого в два раза больше -  килограмм. В этом случае сила тяжести тоже будет иметь показатель в два раза больше – 2 ньютона.

На тело, масса которого составляет  килограмм будет действовать сила тяжести, которая равняется 6 ньютонам, а на тело с массой  килограмм – 5,3 ньютона.

Рассмотрим случай, когда тело имеет массу  килограмм. На такое тело будет действовать сила тяжести, которая равняется 9,8 ньютонам. Масса такого тела:  килограмм = 1 килограмм.

Вывод:
На тело, масса которого один килограмм действует сила тяжести, равная 9,8 Н.

Значение этой силы можно записать в следующем виде: 9,8 Н/кг .

Если применить свойство прямопропорциональности силы тяжести и массы, то можно сделать следующие выводы:

• если взять тело, масса которого равна двум килограммам, то сила тяжести будет = 9,8 Н * 2 = 19,6 Н;
• если взять тело, масса которого равна трем килограммам, то сила тяжести будет = 9,8 Н * 3 = 29,4 Н;
• если взять тело, масса которого равна четырем килограммам, то сила тяжести будет = 9,8 Н * 4 = 39,2 Н.

Так можно продолжать до бесконечности, разбирая тела разных масс.

Вывод:
Для определения силы тяжести, действующей на любое тело какой-либо массы, необходимо 9,8 Н/кг  умножить на вес этого тела.

Получается следующая формула: F_тяж=9,8 Н/кг * m

Величина 9,8 Н/кг обозначается буковкой g и имеет наименование ускорение свободного падения.

Таким образом получается следующая формула для силы тяжести:

F_тяж=gm

В случае, когда опора и тело неподвижны или же имеют прямолинейное равномерное движение, то для веса тела применяется следующая формула:

P=F_тяж=gm.