Механическая энергия – это энергия, связанная с движением объекта или его положением в пространстве, а также характеризует способность объекта совершать механическую работу.
Полная механическая энергия равна сумме потенциальной ( Еп) и кинетической (Ек) энергий
Епол = Еп + Ек
За единицу измерения энергии в СИ принят 1 джоуль.
[Е] = 1 Дж
Закон сохранения механической энергии
Полная механическая энергия замкнутой системы тел, в которой действуют только силы упругости и тяжести, остаётся постоянной.
Епол = const
Еп1 + Ек1 = Еп2 + Ек2 = const
В общем случае закон сохранения и преобразования энергии формулируется так:
Энергия никогда не исчезает и не возникает из ничего, она лишь превращается из одного вида в другой или переходит из одного тела или системы к другому телу или системе тел.
Такая формулировка является ЗАКОНОМ ПРИРОДЫ, который нельзя вывести из других законов, а можно только доказать опытным путём.
Механическая работа – это скалярная физическая величина, которая характеризует изменение положения тела под действием силы и равна произведению модуля силы на модуль перемещения (путь).
A = Fs
За единицу измерения работы в СИ принят 1 джоуль.
[А] = 1Н×1м = 1 Дж
Анализ формулы механической работы:
1. Работа силы положительная А > 0, если направление силы и направление перемещения совпадают;
Пример: кот падает с крыши. Направление движение кота совпадает с направлением действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести положительная.
2. Работа силы отрицательна А < 0, если направление силы и направление перемещения направлены в противоположные стороны;
Пример: кота подбросили вверх. Направление движение кота противоположно направлению действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести отрицательная.
3. Работа силы равна нулю А = 0, если
1. под действием силы тело не перемещается, т.е когда s = 0
2. величина силы равна нулю, т.е. F = 0
3. угол между направлениями перемещения и силой равен 90°.
Пример: кот просто идёт по дорожке. Направление движения кота перпендикулярно направлению действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести равна нулю.
Геометрический смысл механической работы
Если построить график зависимости значения силы от перемещения (пути), пройдённого телом, то этот график будет представлять собой отрезок прямой, параллельной оси перемещения (пути).
Из рисунка видно, что заштрихованная область под графиком представляет собой прямоугольник со сторонами F и s. Площадь данного прямоугольника равна F • s. Геометрический смысл механической работы заключается в том, что работа силы численно равна площади фигуры под графиком зависимости силы от перемещения тела.
Если на середину доски, лежащей горизонтально на двух опорах поставить груз, то под действием силы тяжести некоторое время груз будет двигаться вниз, прогибая доску, а затем остановится.
Эту остановку можно объяснить тем, что кроме силы тяжести, направленной вниз, на доску подействовала другая сила, направленная вверх. При движении вниз доска деформируется, при этом возникает сила, с которой опора действует на тело, лежащее на ней, эта сила направленна вверх, то есть в сторону, противоположную силе тяжести. Такую силу называют силой упругости. Когда сила упругости становится равной силе тяжести, действующей на тело, опора и тело останавливаются.
Сила упругости – это сила, возникающая при деформации тела (то есть при изменении его формы, размеров) и всегда направлена в сторону, противоположную деформирующей силы.
Причина возникновения силы упругости
Причиной возникновения сил упругости является взаимодействие молекул тела. На малых расстояниях молекулы отталкиваются, а на больших – притягиваются. Конечно речь идёт о расстояниях сравнимых с размерами самих молекул.
Природа силы упругости электромагнитная
В недеформированном теле молекулы находятся на таком расстоянии, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. При деформации тела (при растяжении или сжатии) расстояния между молекулами изменяются – начинают преобладать либо силы притяжения, либо – отталкивания. В результате и возникает сила упругости, которая всегда направлена так, чтобы уменьшить величину деформации тела.
Закон Гука
Если к пружине повесить одну гирьку, то мы увидим, что пружина деформировалась – удлинилась на некоторую величину х. Если к пружине подвесить две одинаковые гирьки, то увидим, что удлинение стало в два раза больше. Удлинение пружины пропорционально силе упругости.
Сила упругости, возникающая при деформации тела, по модулю пропорциональна удлинению тела и направлена так, что стремится уменьшить величину деформации тела.
Закон Гука справедлив только для упругих деформаций, то есть таких видов деформации, которые исчезают, когда деформирующая сила перестаёт действовать!!!
Закон Гука можно записать в виде формулы:
где k – жёсткость пружины; х – удлинение пружины (х = l – l0 , где l0– начальная длина пружины (до деформации, l – конечная длина пружины (после деформации));
знак “–” показывает, что сила упругости всегда направлена в противоположную сторону деформирующей силы.
“Разновидности” силы упругости
Силу упругости, которая действует со стороны опоры, называют силой нормальной реакции опоры. Нормальная от слова “нормаль”, то есть реакция опоры всегда перпендикулярна поверхности.
Силу упругости, которая действует со стороны подвеса, называют силой натяжения нити (подвеса).
Розглянемо явище, в результаті якого тіло змінює свою швидкість.
Візок знаходиться в стані спокою відносно столу. Прикріпимо до візка пружну пластину, яка зігнута і зв’язана ниткою. Якщо цю нитку розрізати, тоді пластина різко випрямиться, але візок залишиться на колишньому місці.
Якщо поставити поруч із зігнутою пластиною ще один такий візок, тоді після розрізання нитки обидві візки почнуть рухатися і роз’їдуться в різні боки.
Тобто для зміни швидкості візка треба було друге тіло – другий візок.
При взаємодії тіл змінюються їх швидкості
Розглянемо випадки, коли результатом взаємодії тіл є деформація тіл.
На першому малюнку наведено приклад, коли тенісний м’яч взаємодіє з ракеткою. При цьому відбувається деформація як сітки ракетки, так і самого м’яча.
На другому малюнку показано, що якщо стискати тіло, то воно при цьому деформується, також як і пальці руки.
На третьому малюнку показана деформація сітки батута.
При взаємодії тіла деформуються
При взаємодії результат залежить від того, на скільки “сильною” буде взаємодія: сильніше штовхнете візок – візок набере більшу швидкість; сильніше вдарите по м’ячу – сильніше його “деформуєте” і м’яч набере більшу швидкість і т.д.
Для кількісного визначення міри дії одного тіла на інше служить фізична величина – сила.
Деформация – это изменение размеров или формы тела.
При контакте взаимодействующих тел приходят в движение отдельные части тела, вследствие чего оба тела деформируются. В зависимости от того как именно части тела смещаются относительно друг друга, различают деформации растяжения, сжатия, кручения, изгиба, сдвига.
Деформация продолжается до тех пор, пока возникшая сила упругости не уравновесит внешние силы – тогда движение частей тела прекратится.
Плотность – физическая величина, характеризующая физические свойства вещества, которая равна отношению массы тела к занимаемому этим телом объёму.
Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) можно расчитать по формуле:
[ρ] = кг/м³; [m] = кг; [V] = м³.
где m — масса тела, V — его объём; формула является просто математической записью определения термина «плотность».
Все вещества состоят из молекул, следовательно масса всякого тела складывается из масс его молекул. Это подобно тому, как масса пакета с конфетами складывается из масс всех конфет в пакете. Если все конфеты одинаковы, то массу пакета с конфетами можно было бы определить, умножив массу одной конфеты на число конфет в пакете.
Молекулы чистого вещества одинаковы. Поэтому масса капли воды равна произведению массы одной молекулы воды на число молекул в капле.
Плотность вещества показывает, чему равна масса 1 м³ этого вещества.
Плотность воды равна 1000 кг/м³, значит, масса 1 м³ воды равна 1000 кг. Это число можно получить, умножив массу одной молекулы воды на число молекул, содержащихся в 1 м³ его объёма.
Плотность льда равна 900 кг/м³, это означает, что масса 1 м³ льда равна 900 кг. Иногда используют единицу измерения плотности г/см³, поэтому ещё можно сказать, что масса 1см³ льда равна 0,9 г.
Каждое вещество занимает некоторый объём. И может оказаться, что объёмы двух тел равны, а их массы различны. В этом случае говорят, что плотности этих веществ различны.
Также при равенстве масс двух тел их объёмы будут различны. Например, объём льда почти в 9 раз больше объёма железного бруса.
Плотность вещества зависит от его температуры.
При повышении температуры обычно плотность уменьшается. Это связано с термическим расширением, когда при неизменной массе увеличивается объём.
При уменьшении температуры плотность увеличивается. Хотя существуют вещества, плотность которых в определённом диапазоне температур ведёт себя иначе. Например, вода, бронза, чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого значения.
При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, висмут и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, так как их плотность при затвердевании уменьшается.
Задача №1.
Прямоугольная металлическая пластинка длиной 5 см, шириной 3 см и толщиной 5 мм имеет массу 85 г. Из какого материала она может быть иготовлена?
Анализ физической проблемы. Чтобы ответить на поставленный вопрос, необходимо определить плотность вещества, из которого изготовлена пластинка. Затем, воспользовавшись таблицей плотностей, определить – какому веществу соответствует найденое значение плотности. Эту задачу можно решить в данных единицах (т.е. без перевода в СИ).
Задача №2.
Медный шар объёмом 200 см3 имеет массу 1,6 кг. Определите, цельный этот шар или пустой. Если шар пустой, то определите объём полости.
Анализ физической проблемы. Если объём меди меньше объёма шара Vмед<Vш, то шар пустой. Понятно, что объём пустоты Vпуст = Vш – Vмед . Чтобы найти объём пустоты, выясним, какой объём занимает в шаре медь. Плотность меди найдём в таблице. В этой задаче следует массу подать в граммах, объём – в сантиметрах кубических, плотность, соответственно, – в г/см3.
Задача №3.
Канистра, которая вмещает 20 кг воды, наполнили бензином. Определите массу бензина в канистре.
Анализ физической проблемы. Для определения массы бензина в канистре нам необходимо найти плотность бензина и ёмкость канистры, которая равна объёму воды. Объём воды определим по её массе и плотности. Плотность воды и бензина найдём в таблице. Задачу лучше решать в единицах СИ.
Задача №4.
Из 800 см3 олова и 100 см3 свинца изготовили сплав. Какова его плотность? Каково отношение масс олова и свинца в сплаве?
1. Видатні вчені-фізики.
2. Фізика в побуті, техніці, виробництві.
3. Спостереження фізичних явищ довкілля.
4. Дифузія в побуті та природі.
Механічний рух.
1. Визначення середньої швидкості нерівномірного руху.
2. Порівняння швидкостей рухів тварин, техніки тощо.
3. Обертальний рух в природі – основа відліку часу.
4. Коливальні процеси в техніці та живій природі.
Взаємодія тіл. Сила.
1. Розвиток судно- та повітроплавання.
2. Дослід Торрічеллі.
3. Спостереження за зміною атмосферного тиску.
4. Насоси.
Механічна робота та енергія.
1. Становлення і розвиток знань про фізичні основи машин і механізмів.
2. Прості механізми у побутових пристроях.
3. Біомеханіка людини.
4. Використання енергії природних джерел.
