• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Вага і невагомість.

Поняття ваги не є складним, але це поняття мало пов’язане з життєвим досвідом. У побуті часто замість поняття маси використовують поняття ваги («спортсмен підняв штангу вагою 100 кг»; «боксер важкої ваги»; «зважте 400 г сиру» тощо).

Нехай брусок масою m знаходиться на горизонтальному столі.

На брусок з боку стола крім сили тяжіння mg діє сила пружності N.

Відповідно до третього закону Ньютона, з боку бруска на стіл також діє сила пружності, P спрямована вниз. Ця сила називається вагою бруска.

Вагою тіла називається сила, з якою тіло внаслідок його притягання до Землі тисне на опору або розтягує підвіс.

Вага тіла, яке перебуває в стані спокою, дорівнює силі тяжіння, що діє на це тіло:

З останньої рівності випливає, що вага тіла в стані спокою дорівнює силі тяжіння, яка діє на це тіло. Звідси помилково можна зробити висновок про те, що вага й сила тяжіння — це та сама сила. Розглянемо, чим відрізняються ці сили.

По-перше, вага тіла й сила тяжіння, яка діє на це тіло, прикла­даються до різних тіл: сила тяжіння прикладена до тіла, а вага — до опори або підвісу.

По-друге, сила тяжіння і вага мають різну фізичну природу: сила тяжіння є окремим випадком сили всесвітнього тяжіння, а вага зазвичай є силою пружності.

По-третє, сила тяжіння дорівнює вазі тіла лише у випадку, якщо тіло перебуває в стані спокою або рухається з постійною швидкістю.

Повернемося до попереднього малюнка: брусок лежить на горизонтальному столі. Відповідно до третього закону Ньютона, вага бруска, тобто сила, P з якою брусок тисне на стіл, і сила, N з якою стіл діє на брусок, пов’язані співвідношенням .Оскільки брусок перебуває в стані спокою, рівнодійна всіх сил, які діють на брусок, дорівнює нулю: .

Якщо опора, на якій лежить брусок, почне рухатися з прискоренням, a спрямованим вертикально вгору, то сили mg і N уже не зрівноважуватимуть одна одну, тому що їх рівнодійна надасть бруску прискорення a. Відповідно до другого закону Ньютона, . Тому .

Звідси дістаємо, що вага тіла, яке рухається з прискоренням, обчислюється за формулою:

Слід звернути увагу на те, що вага тіла залежить лише від прискорення й не залежить від швидкості.

Якщо прискорення тіла спрямоване вгору, то вага тіла більша за силу тяжіння:

Якщо прискорення тіла спрямоване вниз, то вага тіла менша за силу тяжіння:

Із формули випливає, що під час руху тіла з прискоренням, яке дорівнює, g вага тіла дорівнює нулю.

Стан, за якого вага тіла дорівнює нулю, називається станом невагомості.

Необхідно звернути увагу на те, що в стані невагомості вага тіла дорівнює нулю, але сила тяжіння дорівнює .mg

Отже, тіло перебуває в стані невагомості, якщо на нього діє лише сила тяжіння. Щоб випробувати короткочасний стан невагомості, достатньо просто підстрибнути. Поки ноги людини, яка підстрибнула, не торкнуться підлоги, вона перебуватиме в стані невагомості.

Характерною властивістю стану невагомості є відсутність «внутрішніх напружень» у тілі, наприклад відсутність тиску одних органів на інші в тілі людини.

Тривалий стан невагомості випробовують космонавти в космічному кораблі, коли його двигуни вимкнені. При цьому космонавти разом із космічним кораблем рухаються під дією виключно сил тяжіння (з боку Землі, Місяця або яких-небудь інших космічних тіл).

Коли вага тіла більша за силу тяжіння, говорять, що тіло зазнає перевантаження. Перевантаження зазнають пасажири ліфтів, космонавти під час зльоту на ракеті в космос, льотчики в момент виходу з пікірування тощо. У випадку перевантаження збільшується не лише вага людини в цілому, але й кожного її органа. Здорова людина може без шкоди для здоров’я витримувати короткочасні трикратні перевантаження, тобто збільшення ваги втричі. Космонавтам же під час старт й посадки космічного корабля доводиться витримувати багаторазові перевантаження.

3. Штучні супутники Землі

Запуски штучних супутників Землі й космічних кораблів наразі стали звичними. За допомогою супутників, перший з яких було запущено ще 4 жовтня 1957 року, розв’язується безліч наукових і народногосподарських задач.

Як же здійснюються запуски штучних супутників і космічних кораблів? На це запитання можна відповісти, застосовуючи закони динаміки. Міркуватимемо так, як міркував І. Ньютон. Уявімо собі, що на дуже високій горі встановили величезну гармату і стріляють з неї в горизонтальному напрямку. Чим більша швидкість снаряда, тим далі він полетить. І якщо швидкість снаряда буде достатньо ве­ликою, він облетить всю Землю по коловій орбіті, тобто стане штучним супутником Землі. Снаряди A і B падають на Землю (див. рис.). Снаряд C виходить на колову орбіту, D — на еліптичну. Снаряд E летить у відкритий космос.

Швидкість, яку потрібно надати супутнику, щоб він рухався навколоземною орбітою (на висоті, незначній порівняно з радіусом Землі), називають першою космічною швидкістю і позначають v_I. Обчислимо цю швидкість. Поблизу поверхні Землі на супутник діє сила тяжіння, , де m — маса супутника. Ця сила надає супутнику прискорення , оскільки радіус орбіти можна вважати таким, що приблизно дорівнює радіусу Землі. Відповідно до другого закону Ньютона, , тому . Звідси випливає, що перша космічна швидкість дорівнює: .

Рухаючись із першою космічною швидкістю, тіло не впаде на Землю, але ця швидкість мала для того, щоб віддалити тіло на таку відстань, на якій притягання Землі перестане відігравати істотну роль.

Щоб тіло змогло залишити Землю і перетворитися на штучну планету — супутник Сонця, йому потрібно надати так званої другої космічної швидкості. Вона дорівнює:

.

За цієї швидкості тіло виходить за межі земного притягання.

Другу космічну швидкість уперше було досягнуто під час за­пуску першої ракети в бік Місяця 2 січня 1959 року.

Третя космічна швидкість — це швидкість, необхідна для того, щоб тіло могло залишити межі Сонячної системи й вилетіти в Галактику.

4. Деформація тіл. Сила пружності. Закон Гука.

Сила пружності виникає в разі деформації тіла, тобто в процесі зміни його форми й розмірів.

Причиною виникнення сил пружності є взаємодія молекул тіла. На малих відстанях молекули відштовхуються, а на великих — притягуються. У недеформованому тілі молекули перебу­вають саме на такій відстані, на якій сили притягання і відштов­хування компенсуються. Коли ми розтягуємо або стискаємо тіло, відстані між молекулами змінюються, тому починають переважати або сили притягання, або сили відштовхування. У результаті й ви­никає сила пружності, що завжди спрямована так, щоб зменшити величину деформації тіла.

Зі збільшенням сили, прикладеної до тіла, ступінь його деформації також збільшується, тому величина деформації може служити мірою сили.

Кількісне співвідношення між силою пружності й подовженням пружини вперше було виявлено в результаті досліду англійським фізиком Робертом Гуком. Позначимо подовження пружини де l — довжина розтягнутої пружини, а l₀ — довжина недеформованої пружини. Підвішуючи до пружини різну кількість однакових важків, Гук установив на досліді, що модуль сили пружності F_пр прямо пропорційний подовженню пружини :

Коефіцієнт пропорційності k називають жорсткістю пружини. Як бачимо з наведеної формули, одиницею жорсткості в СІ є 1 Н/м.

Отже, з величини деформації тіла можна судити про величину сили пружності. Прилад для вимірювання сил називається динамометром. Для градуювання (нанесення шкали) пружинного динамометра використовується закон Гука.

За допомогою динамометра можна порівнювати сили за модулем, а також визначати напрямок дії сили.

5. Сила тертя. Коефіцієнт тертя.

У всіх механічних явищах наявні сили тертя. Наш рух по землі, рух транспортних засобів та їх гальмування — результат дії сил тертя. Сили тертя виникають унаслідок безпосереднього зіткнення тіл і завжди спрямовані вздовж поверхонь цих тіл, на відміну від сил пружності, спрямованих перпендикулярно цим поверхням.

Коли тіло ковзає по поверхні іншого тіла, на нього діє сила тертя ковзання.

Сили тертя ковзання діють між стичними тілами, коли вони рухаються відносного одне одного, і спрямовані так, щоб зменшити швидкість їх відносного руху.

Сила тертя ковзання виникає з двох причин.

По-перше, на шорсткуватих поверхнях існують нерівності, і в разі спроби зсунути одне тіло відносно іншого, ці нерівності чі­пляються одна за одну, у результаті чого виникають сили, подібні до сил пружності.

По-друге, якщо обидві стичні поверхні ретельно відшліфовані, то в разі зіткнення цих поверхонь виникають сили міжмолекуляр­ного притягання. Це може привести навіть до приставання повер­хонь одна до одної.

На досліді можна показати, що модуль сили тертя ковзання F_тер пропорційний модулю сили нормального тиску N:

Коефіцієнт пропорційності μ називають коефіцієнтом тертя.

Необхідно звернути увагу учнів на те, що співвідношення не можна записувати у векторній формі, оскільки сила тертя і сила нормального тиску перпендикулярні одна одній.

Під час переміщення тіла по горизонтальній поверхні горизонтально спрямованою силою сила нормальної реакції дорівнює за модулем силі тяжіння, тому в цьому випадку співвідношення перетворюється в .

Покладемо брусок на дошку й піднімемо її за один край. Брусок при цьому не зісковзує, тобто перебуває в рівновазі. Оскільки дві сили, що діють на брусок (сила тяжіння і сила реакції опори), не зрівноважують одна одну, то, очевидно, є ще одна сила, яка зрівноважує сили тяжіння і сили пружності, що діють однаковою мірою. Це і є сила тертя спокою.

Сила тертя спокою виникає внаслідок спроби зрушити одне зі стичних тіл відносно другого і спрямована вздовж поверхонь зіткнення тіл так, що перешкоджає їх відносному руху.

Причина виникнення сил тертя спокою — та сама, що й сил тертя ковзання: це, головним чином, зачеплення нерівностей стичних тіл.

Якщо збільшувати кут нахилу дошки, то за деякого значення сили, що діє на брусок, він починає ковзати по поверхні дошки, при цьому тертя спокою замінюється тертям ковзання.

Отже, сила тертя спокою не перевищує деякого максимального значення, яке називають максимальною силою тертя спокою. Досвід показує, що максимальна сила тертя спокою приблизно дорівнює силі тертя ковзання.

Якщо тіло не ковзає по поверхні іншого тіла, а котиться, то тертя, що виникає в місці їх зіткнення, називають тертям кочення.

До тертя кочення можна зарахувати тертя коліс залізничного вагона об рейки, коліс автомобіля об бруківку, тертя під час перекочування діжок або труб об ґрунт тощо.

За однакових навантажень сила тертя кочення значно менша за силу тертя ковзання, тому в тих випадках, коли потрібно зменшити силу тертя, тертя ковзання замінюють тертям кочення. З цією метою використовують шарикові й роликові підшипники. Застосування шарикових або роликових підшипників дозволяє зменшити силу тертя у 20–30 разів.

Під час кочення тіло деформує все нові й нові ділянки поверхні. Це є однією з причин виникнення сили тертя кочення. Зазвичай тертя кочення тим менше, чим твердіші поверхні стичних тіл.

Незважаючи на те що сила тертя спокою перешкоджає віднос­ному руху тіл, саме тому вона часто «передає» механічний рух від одних тіл до інших.

Дійсно, роблячи крок, людина штовхає ґрунт назад. При цьому між підошвою і поверхнею дороги діє сила тертя спокою, адже підошва під час поштовху перебуває в стані спокою відносно дороги. Тому Земля, відповідно до третього закону Ньютона, штовхає лю­дину вперед, діючи також силою тертя спокою.

Сила тертя спокою може розганяти й автомобілі. Колесо авто­мобіля, обертаючись, штовхає шляхове полотно назад, діючи на нього силою тертя спокою, адже нижня точка колеса перебуває в стані спокою відносно дороги, якщо колесо котиться без просли­зання. При цьому земля штовхає колесо (а разом із ним і автомо­біль, з’єднаний із колесом) уперед.

Тертя, як і будь-яке інше фізичне явище, може бути і шкідли­вим, і корисним.

Коли тертя шкідливе, його намагаються зменшити. Для цього використовують змазки, застосовують магнітну або повітряну по­душку, замінюють ковзання коченням, застосовують шарикові, роликові або магнітні підшипники.

Коли тертя корисне, його намагаються збільшити: під час оже­леді посипають тротуари й автодороги піском, застосовують шипи на взутті й автомобільних шинах. Тертя дозволяє здійснити гальмування тіл, які рухаються, і переміщення вантажів конвеєрною стрічкою.

6. Рух тіла під дією кількох сил.

Якщо в задачі потрібно розглянути рух тіла під дією кількох сил, рекомендується діяти в такому порядку:

1. Записати стислу умову задачі, виразити числові значення в СІ.

2. Зробити схематичний рисунок, показавши на ньому всі сили, які діють на тіло, і напрямок прискорення.

3. Записати другий закон Ньютона у векторній формі.

4. Записати додаткові рівняння (наприклад, формули для сил або рівняння кінематики).

5. Розв’язати отриману систему рівнянь у загальному вигляді.

6. Проаналізувати отриманий результат (перевірити одиниці величин, розглянути окремі або граничні випадки).

7. Виконати числові обчислення, оцінити вірогідність резуль­татів.

8. Записати відповідь..

Переглядів: 5319