Кожен з вас знайомий із поняттям сили тяжіння і явищем тяжіння. Ви всі бачили падіння крапель дощу, листя з дерева, бутерброда на підлогу. Ви запитували: чому вони падають? чому ви кидаєте м’яч горизонтально, а він врешті решт падає на землю? Чому Місяць рухається навколо Землі, а Земля навколо Сонця? А причина цих явищ – існування між всіма тілами в Всесвіті взаємного притягування. Таке взаємне тяжіння між тілами називають гравітаційна взаємодія або всесвітнє тяжіння.
Тяжіння діє на великих відстанях у Всесвіті. Іссак Ньютон стверджував, що взаємно притягуються всі предмети. Тобто Земля притягує вас, коли ви сидите на стільці, компьютер та стіл, олівець та ручка притягуються один до одного. Ньютон описав це явище за допомогою формули та сформулював Закон всесвітнього тяжіння. Докладніше про це ви дізнаєтесь у старших класах.
А поки ми будемо розглядати силу гравітаційного притягування Землі, яке діє на тіла біля її поверхні. Таку силу називають силою тяжіння.
Сила тяжіння – сила, з якою Земля притягує до себе тіла, які знаходяться на її поверхні або біля її поверхні.
сила тяжіння є проявом сили всесвітнього тяжіння
Сила тяжіння прикладенадо центра тіла та напрямленавертикально вниз до центра землі.
Сила тяжіння, що діє на тіло прямо пропорційна масі цього тіла. Щоб обчислити силу тяжіння, що лежить на горизонтальній поверхні, використовують формулу:
де Fтяж – значення сили тяжіння;
m – маса тіла;
g – прискорення вільного падіння.
Що таке вільне падіння? Якщо опір повітря дуже малий і тіло падає лише під дією сили тяжіння, тоді таке падіння називається вільним.
Значення прискорення вільного падіння різне для різних точок земної поверхні.
Поблизу поверхні Землі для нашої широти прискорення вільного падіння дорівнює приблизно 9,8 Н/кг.
Все физические тела вокруг нас обладают некоторыми общими свойствами. Одним из таких свойств является свойство тел притягиваться к другим телам благодаря гравитационному взаимодействию. Мерой этого свойства является физическая величина, которая называется массой тел.
Также ни одно из тел не может изменить скорость своего движения мгновенно. В результате одинакового воздействия одни тела изменяют свою скорость достаточно быстро, а другие – намного медленнее. Например, чтобы придать определённоую скорость тенисному мячу, нужно меньше времени, чем для придания такой же скорости металлическому шару. В таком случае говорят, что металлический шар более инертный. Мерой такого свойства тела как инетртность является – масса.
Таким образом, масса тела – это физическая величина, которая является мерой инертного и гравитационного свойств тела.
Понятие массы – одно из самых сложных в физике, и при дальнейшем изучении физики это понятие будет расширяться.
На данный момент достаточно уяснить, что каждое физическое тело – человек, пушинка, Луна, микрочастица и т.д. – имеет массу.
Измерение массы
Поскольку масса – физическая величина, то её можно измерить. Чтобы измерить массу любого тела, его необходимо сравнить с телом, массу которого взята за единицу.
За единицу массы в Международной системе единиц (СИ) взят килограмм.
[m] = 1 кг
Кроме килограмма, допускается использование при необходимости, других единиц массы: тонны (т), центнера (ц), грамма (г), миллиграмма (мг)
Кратные единицы:
1 т = 1000 кг
1 ц = 100 кг
1 кг = 1000 г Дольные единицы:
1 г = 0,001 кг
1 мг = 0,001 г
1 мг = 0,000 001 кг
Поскольку масса – это одна из основных единиц СИ, поэтому для неё существует эталон. Эталон массы был создан в 1880 году и представлял собой 1 л чистой воды при температуре +4ºС. Однако такой эталон был неудобен. Эталон килограмма изготовлен из платиново-иридиевого сплава, имеет форму цилиндра высотой 39 мм и диаметром 39 мм.
Хранится во Франции, в городе Севре в Международном бюро мер и весов . С эталона изготовлены точные копии, которые есть во многих странах, в частности в Украине (в г. Харькове в Национальном научном центре “Институт метрологии”).
20 мая 2019 года было принято новое определение килограмма. Ученые заменили эталон килограмма и больше не будут измерять массу с помощью физического предмета. Теперь единица массы определяется с помощью постоянной Планка. И хотя на повседневные большинства людей это никак не скажется, для научного мира и промышленности, где требуются максимально точные измерения, такой шаг имеет большое значение.
1. Уравновесить весы.
2. Положить взвешиваемое тело на левую чашку весов, а гири – на правую.
3. Добиться равновесия весов с телом и гирями на чашках.
4. Взвешиваемое тело и гири опускать на чашки осторожно.
5. Взвешивать грузы массой, не превышающей предельную нагрузку.
6. Мелкие гири брать пинцетом.
При измерении массы сыпучего вещества на чаши весов подложить бумагу для избежания загрязнения чаши.
Що таке інертність тіла? Від чого вона залежить? Який зв’язок між масою тіла та інертністю?
Що таке маса? Її позначення, одиниця вимірювання, прилад для вимірювання.
Що таке густина речовини? Її позначення, одиниця вимірювання, формула
Що таке взаємодія? Що є результатом взаємодії?
Що назівають силою? Як її охарактеризувати? Її позначення, одиниця вимірювання, прилад для вимірювання.
Що таке результуюча сила? Додавання та віднімання сил, що діють на тіло вздовж однієї прямої.
Що називають деформацією? Дією яких сил обумовлена деформація? Які є види деформації?
Яка різниця між пластичними й пружними деформаціями?
Що таке сила пружності? Чим вона характеризується? Яка природа сили пружності? Як вона напрямлена? Яку точку прикладання має? Зробити пояснювальний рисунок.
Який зміст закону Гука? Формула.
Яку силу називають силою нормальної реакції опори? Як вона напрямлена? Яку точку прикладання має? Зробити пояснювальний рисунок.
Яку силу називають силою натягу нитки? Як вона напрямлена? Яку точку прикладання має? Зробити пояснювальний рисунок.
Яке явище називають всесвітнім тяжінням?
Яку силу називають силою тяжіння? Яка природа сили тяжіння? Як вона напрямлена? Яку точку прикладання має? Зробити пояснювальний рисунок.
Що називають вагою тіла? Як вона напрямлена? Яку точку прикладання має? Яка природа ваги тіла? Зробити пояснювальний рисунок. Який стан тіла називають невагомістю?
Чим відрізняються вага тіла та маса тіла?
Яку силу називають силою тертя спокою? Що є причиною виникнення цієї сили? Яка природа сили тертя? Зробити пояснювальний рисунок.
Яку силу називають силою тертя ковзання? Від чого вона залежить? Як можна зменьшити її значення?
Від чого залежить значення коефіцієнту тертя ковзання?
Тиск – це скалярна величина, яка дорівнює відношенюю сили, що діє перпендикулярно на поверхню, до площі цієї поверхні.
S – площа поверхні або опори тіла;
F – сила тиску.
Сила тиску – будь-яка сила, що діє з боку тіла перпендикулярно до поверхні, на якій знаходиться тіло. Найчастіше це вага тіла.
F = p⋅S або F = P = m⋅g
Одиниця вимірювання тиску – паскаль (Па). Названа на честь французського вченого Блеза Паскаля.
[р] = 1 Па = 1Н/м2
Паскаль – це тиск, яке створює нормальна сила в 1 Н на площу 1 м2.
З формули видно, що результат дії сили на поверхню залежить не тільки від її величини, а й від площі опори тіла, що тисне на поверхню. На малюнку видно, що людина в черевиках йде по снігу, глибоко провалюючись при кожному кроці. Але якщо він одягне лижі, то може йти не провалюючись в сніг. На лижах і без людина діє на сніг з однієї і тієї ж силою, яка дорівнює його вазі. Але дія цієї сили різна в обох випадках, тому що різна площа поверхні, на яку тисне людина.
Площа підошви приблизно в 10 разів менше площі поверхні лижі, тому людина на лижах тисне на кожен квадратний сантиметр площі поверхні снігу із силою в десять разів меншою.
Задача
Розрахуйте тиск ковзаняра масою 60 кг на лід, якщо ширина леза ковзанів 4 мм, а довжина леза, що стикається з льодом, 30 см? Ковзаняр стоїть на обох ногах.
На практиці застосовують також одиниці тиску кілопаскалі (кПа) и гектопаскалі (гПа):
1 кПа = 1000 Па
1 гПа = 100 Па
Тертя – це сукупність явищ, що спричиняють опір рухові макроскопічних тіл один відносно одного або елементів одного і того ж тіла.
Поверхні твердих тіл мають нерівності, є шорсткими.
При русі або спробі руху нарівності чіпляються один за одне та деформуються. Як результат з’являється сила тертя, що перешкоджає руху.
Сили тертя мають електромагнітну природу. Тобто сила тертяякй сила пружності – прояв сил межмолекулярної взаємодії.
Тертя є двох видів:
Зовнішнє тертя (тертя) – явище опору відносному переміщенню, який виникає між двома тілами в зонах контакту їх поверхонь, тобто зовнішнє тертя відбувається на границі контакту двох твердих тіл.
Внутрішнє тертя (в’язкість).
Зовнішнє сухе (без змащування рідиною контактуючих поверхонь) тертя буває трьох видів: 1. тертя спокою; 2. тертя ковзання; 3. тертя кочення.
Сила тертя спокою – сила, що виникає між двома дотичними тілами при спробі зрушити одно тіло відносно іншого.
Тобто сила тертя спокою виникає між контактуючими поверхнями тіл без їх відносного руху. Поява сили тертя спокою обумовлена силами міжмолекулярної взаємодії і за рахунок зачеплення мікронерівностей та їх деформації.
Завдяки силі тертя спокою рухаються люди, тварини та транспорт, не розв’язуються вузли; тримаються корені рослин у почві та ін.
Сила тертя ковзання – сила, що виникає під час ковзання одного тіла по поверхні іншого.
Сила тертя ковзання має таку саму природу, що й тертя спокою
Але при відносному русі нерівності не встигають глибоко зачепитись між собою, й ніби пролітають одна над іншою. Деформуються лише “верхівки” виступів, і тому сила пружного опору зменшується. Тому сила тертя ковзання менша від сили тертя спокою.
Ковзання виникає лише тоді, коли зовнішня сила дорівнює, або перевищує за модулем максимальну силу тертя спокою. Ця особливість притаманна лише сухому тертю.
Але при великих швидкостях відносного руху нерівності починають руйнуватись, на що необхідно затратити певну енергію. Тому сила тертя ковзання зростає і може навіть стати більшою, ніж сила тертя спокою.
Сила тертя кочення – сила, що виникає при перекочуванні одного тіла вздовж поверхні іншого. (Сила тертя кочення виникає, наприклад, між елементами підшипників, між шиною колеса і дорожнім полотном).
Як правило, при малих швидкостях, сила тертя кочення набагато менша від сили тертя ковзання, тому кочення є поширеним видом руху в техніці.
Сила тертя кочення має іншу природу на відміну від
сил тертя спокою та ковзання
Дослідним шляхом було встановлено:
сила тертя виникає під час руху одного тіла по поверхні іншого і перешкоджає цьому самому руху;
сила тертя спрямована в протилежний бік від руху тіла та напрямлена по дотичній до тертьових поверхонь;
сила тертя не залежить від величини площі тертьових поверхонь;
сила тертя залежить від матеріалу тіл, стану обробки тертьових поверхонь, наявності і виду мастила;
сила тертя не залежить від напрямку сили, прикладеної вздовж тертьових поверхонь;
сила тертя безпосередньо залежить від навантаження (сили притиснення). Тобто сила тертя пропорційна силі нормальної реакції опори.
Формула для розрахунку сили тертя
Для розрахунку сили тертя ковзання користуються законом Амонтона-Кулона. Відповідно до цього закону випливає, що сила тертя ковзання прямо пропорційна силі нормальної реакції опори:
де N – сила нормальної реакції опори;
μ – коефіцієнт тертя ковзання (табличне значення)
Якщо поверхня ковзання горизонтальна і зовнішня сила тяги прикладена теж горизонтально, то сила нормальної реакції опори рівна вазі тіла: N = Р = mg
Тоді:
Коефіцієнт тертя ковзання
Коефіцієнт тертя ковзання μ характеризує обидві тертьові поверхні, визначається експериментально та є безвимірною величиною (тобто у неї немає одиниці вимірювання).
Коефіцієнт тертя ковзання
залежитьвід матеріалу стичних поверхонь, стану обробки поверхонь тіл
не залежитьвід маси тіла та площі стичних поверхонь
Як зменьшити силу тертя
заміна однієї з дотичних поверхонь на ту, що має нижчий коефіцієнт тертя;
використання мастильних матеріалів, ввівши їх між дотичними поверхнями;
застосування «газоподібного змащення», тобто «повітряної подушки» (зменшення сили тертя відбувається в цьому випадку за рахунок створення потоку повітря між дотичними поверхнями);
заміна тертя ковзання на тертя кочення (наприклад, використання підшипників в вузлах, де відбувається тертя);
покращення якості обробки дотичних поверхонь, зменьшивши ступінь їх шорсткості (чим краща обробка поверхні, тим менші сила тертя спокою та сила тертя ковзання.
Проте в ідеальному випадку добре відполерованих поверхонь дотичних тіл, в результаті взаємодії частинок, відбувається адгезія[прилипання, зчеплення, злипання поверхонь притиснутих один до одного тіл], що може виявитися міцним, як зварювання).
Як збільшити силу тертя
збільшити шорсткість поверхонь (наприклад, на стичних поверхнях створюють рельєфні малюнки);
збільшити вагу тіла (наприклад, збільшити масу тіла, що лежить на поверхні);
підібрати середовище з більшим коефіцієнтом тертя;
видалення мастила;
полірування поверхонь.
Для грубо обробленої поверхні основну роль у виникненні сили тертя спокою і тертя ковзання відіграють зчеплення нерівностей і сили пружності, а при старанній обробці – взаємодія атомів та молекул під час дотику поверхонь
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?
