Давление твёрдых тел

Давление – это скалярная величина, которая равна отношению силы, которая действует перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.

давление

S — площадь поверхности или опоры тела;
F — сила давления (любая сила, которая действует на тело перпендикулярно поверхности, чаще всего это вес тела).

Единица давления – паскаль (Па). Названа в честь французского учёного Блеза Паскаля.

[р] = 1 Па = 1Н/м2

Паскаль – давление, которое создаёт нормальная сила в 1 Н на площадь 1 м2.

Из формулы видно, что результат действия силы на поверхность зависит не только от ее величины, но и от площади опоры давящего тела. На картинке видно, что человек в ботинках идёт по снегу, глубоко проваливаясь при каждом шаге. Но если он наденет лыжи, то может идти не проваливаясь в снег. На лыжах и без человек действует на снег с одной и той же силой, которая равна его весу. Но действие этой силы различно в обоих случаях, потому что различна площадь поверхности, на которую давит человек.

Площадь подошвы примерно в 10 раз меньше площади поверхности лыжи, поэтому человек на лыжах давит на каждый квадратный сантиметр площади поверхности снега с силой в десять раз меньшей.

Задача

Расчитайте давление конькобежца массой 60 кг на лёд, если ширина лезвия конька 4 мм, а длина лезвия, соприкасающегося со льдом, 30 см? Конькобежец стоит на обоих ногах.

давление_задача

На практике используются также единицы давления килопаскали (кПа) и гектопаскали (гПа):
1 кПа = 1000 Па
1 гПа = 100 Па

Простые механизмы

Рычаг

Вращающий момент

 

Блок и ворот

Полиспаст — это механизм, состоящий из подвижных и неподвижных блоков, охваченных одной или несколькими верёвками.

Наклонная плоскость

Клин и винт

«Золотое правило» механики

 

 

 

 

 

Шпаргалка

Механическая работа [A] = Дж  шпора_

Механическая энергия [E] = Дж

Потенциальная энергия шпора2

Кинетическая энергия шпора3

Закон сохранения энергии  шпора5

КПД   шпора4

Мощность [Р] = Втшпора1

 

 

Коэффициент полезного действия

Коэффициентом полезного действия (КПД) называют отношение полезной работы, выполненной машиной или двигателем, к работе затраченной.

КПД

КПД обозначают буковой η, которая читается [эта].

КПД часто выражают в процентах:

[η] = 1%

 

Механическая энергия

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

схема

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.

Мощность

Мощность это скорость выполнения работы, численно равна работе, совершаемой за единицу времени.

мощн

За единицу измерения мощности в СИ принят 1 ватт.

[Р] = 1 Вт  = 1Дж / 1с

Мощность двигателя:

мощн двиг

Т.е. скорость движения транспорта прямо пропорциональна мощности двигателя.

 

Механическая работа

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;

раб1

Пример: кот падает с крыши. Направление движение кота совпадает с направлением действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести положительная.

работа1

2. Работа силы отрицательна
А < 0, если направление силы и направление перемещения направлены в противоположные стороны;

раб2

Пример: кота подбросили вверх. Направление движение кота противоположно направлению действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести отрицательная.

работа2

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°.

раб3

Пример: кот просто идёт по дорожке. Направление движения кота перпендикулярно направлению действия силы тяжести. Значит, работа силы тяжести равна нулю.

работа3

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).

работа4

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.

 

 

Сила упругости

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.

деформация

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.

сила упругости

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.

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.

пружина_1

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:

закон гука

где k — жёсткость пружины;
х — удлинение пружины (равно разнице конечной и начальной длине пружины);
знак «–» показывает, что сила упругости всегда направлена в противоположную сторону деформирующей силы.

«Разновидности» силы упругости

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).