Сила тяжіння

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 прикладена до центра тіла та напрямлена вертикально 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.

Додаткові матеріали.

Сила

Сила – це фізична величина, що є мірою взаємодії тіл, тобто характеризує дію тіл одне на одне.

Ознаки дії та тіло сили:

  1. зміна швидкості за значення та (або) за напрямком
  2. деформація тіла

Сила позначається буквою F

Одиниця вимірювання сили в СІньютон: [F] = Н


1 Н – це сила, яка при дії на тіло масою 1 кг, змінює її швидкість кожну секунду
на 1 м/с


Прилад для вимірювання сили називається динамометром.

 

Динамометр складається з:
пружини 1 (розтягання якої і показує нам силу);
стрілки 2, яка ковзає по шкалі та показує значення сили);
шкали 3;
обмежувача 4 (який не дає розтягнутися пружині занадто сильно);
гачка 5 (до якого підвішується вантаж).

Якщо нам відоме лише числове значення сили, ми не можемо вказати яким буде результат її дії. Важливо ще знати напрям та точку прикладання сили.

Сила – векторна величина, яка характеризується:

  1. числовим значенням;
  2. напрямом у просторі;
  3. точкою прикладання.

Зображення сили, що штовхає тіло ззади:

 

Сила тертя

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 тертя як й сила пружності – прояв сил межмолекулярної взаємодії.


Тертя є двох видів:

  1. 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.
  2. 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:

  1. сила тертя виникає під час руху одного тіла по поверхні іншого і перешкоджає цьому самому руху;
  2. сила тертя спрямована в протилежний бік від руху тіла та напрямлена по дотичній до тертьових поверхонь;
  3. сила тертя не залежить від величини площі тертьових поверхонь;
  4. сила тертя залежить від матеріалу тіл, стану обробки тертьових поверхонь, наявності і виду мастила;
  5. сила тертя не залежить від напрямку сили, прикладеної вздовж тертьових поверхонь;
  6. сила тертя безпосередньо залежить від навантаження (сили притиснення). Тобто сила тертя пропорційна силі нормальної реакції опори.

Формула для розрахунку сили тертя

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

  • залежить від матеріалу стичних поверхонь, стану обробки поверхонь тіл
  • не залежить від маси тіла та площі стичних поверхонь

Як зменьшити силу тертя

  1. заміна однієї з дотичних поверхонь на ту, що має нижчий коефіцієнт тертя;
  2. використання мастильних матеріалів, ввівши їх між дотичними поверхнями;
  3. застосування «газоподібного змащення», тобто «повітряної подушки» (зменшення сили тертя відбувається в цьому випадку за рахунок створення потоку повітря між дотичними поверхнями);
  4. заміна тертя ковзання на тертя кочення (наприклад, використання підшипників в вузлах, де відбувається тертя);
  5. 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

  1. збільшити шорсткість поверхонь (наприклад, на стичних поверхнях створюють рельєфні малюнки);
  2. збільшити вагу тіла (наприклад, збільшити масу тіла, що лежить на поверхні);
  3. підібрати середовище з більшим коефіцієнтом тертя;
  4. видалення мастила;
  5. 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


PS