СИЛЫ В ПРИРОДЕ

ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ (уч.10кл.стр.96-99)

Сила тяготения и гравитационное притяжение (см.выше)

Закон всемирного тяготения (см.выше)

Опыт Кавендиша(см.выше)

Гравитационная постоянная. Определение и единицы измерения (см.выше)

Нахождение силы притяжения тел конечных размеров (см.выше)

Сила тяжести (см.ниже уч.10кл.)

Законы динамики справедливы для любого фундаментального взаимодействия (гравитационного, слабого, электромагнитного и сильного)

Электромагнитное и гравитационное взаимодействия, в отличие от слабого и сильного, являются дальнодействующими. Они определяют характер макроскопического движения от молекулярного уровня до Вселенной.

Все механические явления в макромире определяются электромагнитными и гравитационными взаимодействиями

Гравитация – от латинского gravitas – вес, тяжесть

В 1685 г. Ньютон, обобщая законы движения небесных тел, предположил, что все тела притягиваются друг к другу гравитационными силами и закон этот справедлив для все Вселенной.

В отличие от сил трения и упругих сил гравитационное притяжение является взаимодействием тел друг с другом на расстоянии. Радиус такого взаимодействия неограничен.

Закон всемирного тяготения:

Между любыми двумя материальными точками действует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению масс этих точек и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

F_g = G

Границы применимости закона всемирного тяготения:

- только для материальных точек, когда размеры тел пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними

- для однородных тел, имеющих форму шара

- шара большого радиуса и массы, взаимодействующего с телами любой формы, размеры и массы которых много меньше размеров шара, находящихся на поверхности большого шара или вблизи нее.

Закон неприменим, например, для взаимодействия бесконечного стержня и шара.

Гравитационная сила направлена вдоль прямой, соединяющей материальные точки.

Гравитационная постоянная численно равна силе гравитационного притяжения двух тел массой по 1 кг каждое, находящихся на расстоянии 1 м одного от другого.

G = 6.67*10^-11 Нм/кг² – гравитационная постоянная (одинаковая для все тел)

Чис­ленное значение гравитационной постоянной опытным путем определил Кавендиш в 1798 г., измеряя силу вза­имодействия между свинцовыми шарами с помощью крутильных весов.

Расчет силы притяжения тел конечных размеров производится с помощью принципа суперпозиции, разбивая тела на материальные точки.

Обычно при расчетах берут расстояние между центрами масс тел.

Силы всемирного тя­готения действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах (или хотя бы масса одного из тел велика).

Частным видом силы всемирного тяготения является сила притяжения тел к Земле (или к другой планете). Эту силу называют силой тяжести. Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свободного падения.

СИЛА ТЯГОТЕНИЯ (уч.10кл.стр.96-99)

Гравитационные и электромагнитные силы

Гравитационное притяжение

Гипотеза Ньютона

Закон всемирного тяготения (см.выше «Закон всемирного тяготения»)

Опыт Кавендиша и гравитационная постоянная

Все тела притягиваются друг к другу гравитационными силами.

Сила тяжести – гравитационная сила, действующая на тело со стороны Земли

Сила тяжести - сила, действующая на любую материальную точку, находящуюся вблизи земной поверхности, и определяемая как геометрическая сумма силы притяжения Земли F и центробежной силы инерции, учитывающей эффект суточного вращения Земли.

Направление силы тяжести — вертикаль в данной точке земной поверхности.

Аналогично сила тяжести определяется на любом небесном теле.

Ускорение свободного падения – гравитационное ускорение, приобретаемое телом под действием гравитационной силы вблизи поверхности небесных тел (планет, звезд)

Из того, что тела независимо от своей массы падают с одинаковым ускорением, следует, что сила, действующая на них, пропорциональна массе тела. Эта сила притяжения, действующая на все тела со стороны Земли, называется силой тяжести.

Вблизи поверхности Земли: F_g = G Þ a_g = g = 9,81 м/с²

Ускорение свободного падения – g = 9,81м/с². (векторная величина)

В зави­симости от высоты h над поверхностью Земли и гео­графической широты положения тела ускорение сво­бодного падения приобретает различные значения.

Сила тяжести, действующая на тело вблизи поверхности Земли:

При подъеме над поверхностью Земли сила тяжести уменьшается: F_g = G

Сила тяжести потенциальна. Ее работа по замкнутому контуру равна нулю.

ВЕС ТЕЛА (уч.10кл. стр.100,105, 113-115)

Сила тяжести. Природа и определение.(см.выше)

Формула силы тяжести(см.выше)

Ускорение тела под действием силы тяжести (см.выше)

Определение веса тела и единицы измерения (уч.10кл.стр.105)

Связь массы и веса тела. Различие понятий массы и веса тела.

Пример веса человека в движущемся лифте (уч.10кл.стр.113)

Невесомость (10кл. стр.100-101, 113-115)

Сила тяжести – это сила с которой Земля притягивает к себе тело.

Пропорциональна массе тела и сообщает ему ускорение свободного падения.

Весом тела называется сила, с которой тело вследствие силы тяжести действует на опору или растягивает подвес.

Вес тела – суммарная сила упругости тела, действующая при наличии силы тяжести на все опоры и подвесы.

Вес – векторная величина

Обозначение – Р

Единица измерения – кг

Сила тяжести приложена к телу, а вес – приложен к опоре или подвесу.

Сила тяготения и сила тяжести носят гравитационный характер.

Вес тела равен по модулю и противоположен по направлению силе упругости опоры по третьему закону Ньютона.

Поэтому, чтобы найти вес тела, необходимо найти, чему равна сила реакции опоры.

Вес тела на экваторе меньше, чем на полюсах, так как вследствие вращения Земли вокруг оси тело на экваторе движется с центростремительным ускорением.

По второму закону Ньютона если на тело более не действует ни одна сила, то сила тяжести тела уравновешивается силой упругости. Вследствие этого вес тела на неподвижной или равномерно движущейся горизонтальной опоре равен силе тяжести.

Если опора движется с ускорением, то по второму закону Ньютона , откуда выводится .

Это означает, что вес тела, направление ускорения которого совпадает с направлением ускорения свободного падения, меньше веса покоящегося тела.

Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегруз­кой.

Невесомость - состояние, при котором действующие на тело внешние силы не вызывают взаимных давлений его частиц друг на друга.

В поле тяготения Земли человеческий организм воспринимает такие давления, как ощущение весомости.

Невесомость имеет место при свободном движении тела в поле тяготения (вертикальное падение, движение по орбите искусственного спутника, полет космического корабля).

НЕВЕСОМОСТЬ (уч.10кл. стр.100-101, 113-115)

См.выше «Вес тела»

ДОПОЛНИТЬ примерами с расчетом

ПЕРВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ (уч.10кл. стр.161-163)

Движение тела в гравитационном поле.

Рисунок тела летящего вокруг земли

Определение первой космической скорости. Формула

Эллипсоидальность орбиты при увеличении скорости запуска тела

Определение второй космической скорости. Формула

Рассмотрим тело массой m в точке К на высоте Н над поверхностью Земли.

При бросании тела параллельно земной поверхности дальность полета будет тем большей, чем больше начальная скорость. При больших значениях скорости также необходимо принимать в расчет шарообразность земли, что отражается в изменении направления вектора силы тяжести.

При некотором значении скорости тело может двигаться вокруг Земли под действием силы всемирного тяготения. Эту скорость, называемую первой космической.

Первая космическая (круговая) скорость – минимальная скорость, которую надо сообщить телу у поверхности Земли (или небесного тела), чтобы тело могло двигаться вокруг Земли (или небесного тела) по круговой орбите.

Для Земли v₁ = 7.9 км/с

На орбите радиусом R_Å+H на тело действует сила F_g = G, сообщающая телу нормальное (центростремительное) ускорение.

У поверхности Н = 0 и v_I =

G= g

Первая космическая скорость

v₁ = ≈ 7.9 км/с

При увеличении скорости тело будет удаляться от Земли, но удерживаться силой гравитации на эллиптической орбите, вытянутой вдоль направления, перпендикулярного направлению начальной скорости.

Один фокус эллиптической орбиты спутника совпадает с центром Земли.

Перигей – наименьшее удаление спутника от Земли

Апогей - наибольшее удаление спутника от Земли

Вторая космическая скорость (v_II)– минимальная скорость, которую надо сообщить телу у поверхности Земли (или небесного тела) для того, чтобы оно преодолело гравитационное притяжение Земли (или небесного тела)

При запуске энергии тела E_k0 =, E_p = - mgR_Å

При удалении тела на бесконечность E_k = 0, E_p = 0

Скорость запуска будет минимальной, если в конечном состоянии скорость ракеты обратиться в нуль.

Закон сохранения механической энергии при запуске тела с v_II:

0 = - mgR_Å

Вторая космическая скорость:

v_II = ≈ 11.2 км/с

При запуске ракеты с v > v_II она преодолевает гравитационное притяжение Земли, имея на бесконечно большом расстоянии от нее определенную скорость

В этом случае ракета движется по гиперболической траектории.

Фактором, препятствующим сближению тел в результате притяжения, является их скорость и соответственно кинетическая энергия.

СИЛА УПРУГОСТИ (уч.10кл. стр.102-104, 317-320)

Определение силы упругости

Природа силы упругости. Направление

Определение упругого воздействия на тело

Сила реакции опоры, как сила упругости. Направление

Определение силы натяжения

Закон Гука (см.ниже уч.10кл.стр.102-105)

Деформация тел(см.ниже уч.10кл.стр.317-320)

Возникновение сил упругости и трения обусловлено силами электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами, из которых состоят все макроскопические тела.

Сила упругости – сила, возникающая при деформации тела и направленная противоположно направлению смещения частиц тела при деформации.

В отличие от гравитационной силы, зависящей от расстояния между телами, сила упругости зависит от расстояния между частицами одного и того же тела.

Сила упругости стремиться восстановить первоначальные размеры и форму тела.

Механическая модель кристалла, описывающая его упругие свойства

Упругое воздействие на тело – воздействие, в результате которого тело восстанавливает форму и размеры после снятия воздействия.

Сила реакции опоры – сила упругости, действующая на тело со стороны опоры перпендикулярно ее поверхности.

Сила реакции опоры обусловлена деформацией опоры.

Сила натяжения – сила упругости, действующая на тело со стороны нити или пружины.

Сила натяжения обусловлена деформацией нити и направлена в сторону противоположную деформации вдоль нити.

О величине силы упругости можно судить по степени сжатия или растяжения пружины.

ЗАКОН ГУКА (уч.10кл. стр.102-105)

Сила упругости (см.выше уч.10кл.)

Закон Гука (уч.10кл.стр.102)

Понятие об упругой деформации

Область применения закона Гука

Деформация тела (см.ниже)

Сила упругости – сила, возникающая при деформации тела и направленная противоположно направлению смещения частиц тела при деформации.

Закон Гука позволяет судить о силе упругости по деформации тела под действием этой силы.

Закон Гука:

Модуль силы упругости, возникающей при деформации тела, пропорционален его удлинению

k – жесткость, зависящая от упругих свойств материала тела и его формы (например, от размеров пружины)

Единица измерения k – Н/м

Закон Гука справедлив лишь при малом удлинении, когда деформация считается упругой.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после снятия воздействия вызвавшего ее

Упругое воздействие на тело – воздействие, в результате которого тело восстанавливает форму и размеры после снятия воздействия.

ДЕФОРМАЦИЯ ТЕЛА (уч.10кл.стр.317-320)

Виды деформации тел.

Определение деформации

Определение упругой деформации

Определение пластической деформации

Определение и формула механического напряжения

Определение, формула и обозначение относительного удлинения

Модуль Юнга. Обозначение. Формула. Единицы измерения

Отличие модуля Юнга от коэффициента жесткости

Формулировка закона Гука. Область его применения

Определение предела упругости. Пластическая деформация

Определение предела прочности

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под действием внешней силы.

Различают два вида деформации:

- упругую

- пластическую

Упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы

(резина, сталь)

Пластическая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы.

Материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформации называют пластическими - свинец, алюминий, воск, пластилин и т.д.

Деление материалов на упругие и пластические в значительной мере условно. Так при больших нагрузках стал ведет себя как пластический материал (например, при штамповке)

Пластичность или упругость материала значительно зависят от его температуры.

Материал называют хрупким, если он разрушается при небольших деформациях (чугун, стекло, фарфор).

У всех хрупких материалов напряжение (см.ниже) очень быстро растет с увеличением деформации. Пластические свойства у хрупких материалов практически не проявляются.

Различают следующие виды деформаций:

- растяжения

- сжатия

- сдвига (деформация, при которой происходит смещение слоев тела друг относительно друга)

- изгиба

- кручения

Деформации кручения и изгиба сводятся к неоднородному растяжению или сжатию и неоднородному сдвигу.

Рассмотрим упругую деформацию стержня длиной l, сечением S, под действием силы F

Деформация стержня прекращается тогда, когда сила упругости становится равной внешней силе. Согласно закону Гука:

F_упр = k∆ l

∆l – абсолютное удлинение стержня

Для характеристики упругих свойств тела вводится понятие механическое напряжение.

Механическое напряжение – физическая величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела:

σ =

Единица измерения – Па (Паскаль) = Н/м² (единицы давления)

Более удобной величиной, чем абсолютное удлинение, является относительное удлинение тела.

Относительное удлинение равно отношению абсолютного удлинения тела к его первоначальной длине:

e =

Относительное удлинение показывает, какую часть первоначальной длины l₀ тела составляет его абсолютное удлинение.

σ =; e = Þ σ = (k) e

Коэффициент пропорциональности k между напряжением σ и относительным удлинением называется модулем упругости или модулем Юнга.

Модуль Юнга измеряется в Па.

В отличие ото жесткости k, характеризующей только данный стержень, модель упругости Е характеризует вещество, из которого он сделан.

Для большинства материалов модуль Юнга определен экспериментально (по формуле), измеряя напряжение и относительное удлинение при малых деформациях.

Закон Гука (через относительное удлинение тела):

При упругой деформации тела механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела:

σ = Е e

Закон Гука справедлив лишь при малой деформации, т.е. при малом относительном удлинении.

Максимальное напряжение σ_п, при котором еще выполняется закон Гука называют пределом пропорциональности.

Для исследования деформации растяжения, стержень при помощи специального устройства подвергают растяжению, а затем измеряют удлинение образца и возникающие в нем напряжения.

График зависимости напряжения σ от относительного удлинения e называется – диаграмма растяжения

Если увеличивать нагрузку, то деформация становится нелинейной, напряжение перестает быть прямо пропорционально относительному удлинению. Тем не менее при небольших нелинейных деформациях после снятия нагрузки форма и размеры тела практически восстанавливаются (участок АВ).

Максимальное напряжение, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации(относительная остаточная деформация не превышает 0,1%), называют пределом упругости σ_уп.

Если внешняя нагрузка такова, что напряжение в материале превышает предел упругости, то после снятия нагрузки тело остается деформированным.

При некотором значении напряжения, соответствующем на диаграмме точке С, удлинение нарастает практически без увеличения нагрузки.

Это явление называется текучестью материала (участок CD).

Далее с увеличением деформации кривая напряжений начинает немного возрастать и достигает максимума в точке Е. Затем напряжение резко спадает и тело разрушается.

Разрыв происходит после того, как напряжение достигает максимального значения σ_пч, называемого пределом прочности.

Начиная с некоторого e_max деформация перестает быть упругой, становясь пластической.

Предел упругости – максимальное напряжение в материале, при котором деформация еще является упругой.

(Не возникают заметные остаточные деформации, относительная остаточная деформация не превышает 0,1%)

Пластические материалы – материалы, которые не разрушаются при напряжении, значительно превышающем предел упругости.

(Пример – изгиб металлов, штамповка)

Пластичными называют материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформации (глина, песок).

Предел прочности – максимальное механическое напряжение, возникающее в теле до его разрушения.

Пределы прочности материалов на растяжение и сжатие различны.

Прочностью материала называется его свойство выдерживать действия внешних сил без разрушения.

Запасом прочности называется число, показывающее, во сколько раз предел прочности больше допускаемого напряжения.

Деление материалов на упругие и пластичные в значительной мере условно. Получение материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и др. свойствами – одно из основных направлений современной физики твердого тела.

СИЛА ТРЕНИЯ (уч.10кл. стр.107-111)

Природа силы трения

Определение силы трения

Трение покоя. Природа. Определение. Направление. Формулы

Максимальная сила трения покоя

Коэффициент трения покоя. Обозначение и единицы измерения. От чего он зависит

Трение скольжения Природа. Определение. Направление. Формулы

Коэффициент трения скольжения. Обозначение и единицы измерения. От чего он зависит

Зависимость силы трения скольжения от относительной скорости соприкасающихся тел (уч.10кл.стр.109 на полях) и ее отличие от силы упругости

Трение качения Природа. Определение. Направление. Формулы

Коэффициент трения качения. Обозначение и единицы измерения. От чего он зависит

Соотношение трения покоя, скольжения и качения. Примеры

Жидкое трение

Сила трения – сила, возникающая при соприкосновении поверхностей тел, препятствующая их относительному перемещению, направленная вдоль поверхности соприкосновения.

Сила трения, как и сила упругости, имеет электромагнитную природу

При контакте твердых тел различают три вида трения:

- трение покоя

- трение скольжения

- трение качения

Трение покоя – трение, возникающее при отсутствии относительного перемещения соприкасающихся тел

Сила трения покоя равна по модулю внешней силе, направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел и противоположна ей по направлению

Сила трения покоя – сила трения, препятствующая движению одного тела по поверхности другого

При уменьшении внешней силы происходит микроскопическое смещение трущихся поверхностей. Оно продолжается до тех пор, пока силы притяжения между взаимодействующими атомами выступов не скомпенсируют внешнюю силу.

Максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения поверхностей, а зависит от силы нормального давления F_┴

(F_тр.п)_max ~ S~ F_┴

По третьему закону Ньютона сила нормального давления равна по модулю силе реакции опоры N. Таким образом максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры.

F_{тр.р max} = μ_пN

μ_п – коэффициент трения покоя

Коэффициент трения зависит от характера поверхности и от сочетания материалов, из которых состоят соприкасающиеся поверхности.

Максимальное критическое значение силы трения покоя определяется величиной силы взаимодействия поверхностных слоев соприкасающихся тел

Трение скольжения возникает при относительном перемещении соприкасающихся тел.

Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную относительной скорости соприкасающихся тел.

Вектор силы трения скольжения направлен против вектора скорости, поэтому эта сила всегда приводит к уменьшению относительной скорости тела

Сила трения скольжения остается постоянной и несколько меньшей силы трения покоя.

Она пропорциональна силе нормального давления и, следовательно, силу реакции опоры:

F_тр = μN

μ – коэффициент трения скольжения, зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей

μ< μ_п

Разрыв атомных (молекулярных) связей – главное отличие механизма возникновения силы трения от механизма возникновения силы упругости. Именно поэтому сила трения скольжения зависит от относительной скорости движения соприкасающихся тел.

Трение качения возникает при качении цилиндрического или шарообразного тела без проскальзывания по плоскости или изогнутой поверхности.

Молекулярные связи при подъеме участков колеса рвутся быстрее, чем при скольжении.

Поэтому сила трения качения много меньше силы трения скольжения.

Сила трения качения пропорциональна силе реакции опоры

F_тр.кач = μ_кач N

μ_кач- коэффициент трения качения

Коэффициент трения качения много меньше коэффициента трения скольжения.

μ_кач< <μ

Для уменьшения сил трения в технике применяются колёса, шариковые и роликовые подшипники.

Жидкое трение возникает при движении тела в жидкости или газе.

Сила жидкого трения много меньше силы сухого трения.

В жидкости и газе нет силы трения покоя (даже самая малая сила, приложенная к телу в жидкости или газе, сообщает ему ускорение)

Сила жидкого трения зависти от направления движения, значения скорости (при небольших скоростях она пропорциональна скорости тела, а при больших – квадрату или кубу скорости).

Сила сопротивления зависит от формы тела.

Форма тела, при которой сопротивление мало называют обтекаемой формой.

Отличительной способностью жидкостей и газов является их текучесть, которая связана с малыми силами трения при относительном движении соприкасающихся слоев.

КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ (уч.10кл. стр.107-111)

См.выше «Сила трения»

ЗАКОН ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ (уч.10кл. стр.107-111, 115-117)

Трение скольжения Природа. Определение. Направление. Формулы

Коэффициент трения скольжения. Обозначение и единицы измерения. От чего он зависит

Зависимость силы трения скольжения от относительной скорости соприкасающихся тел (уч.10кл.стр.109 на полях) и ее отличие от силы упругости

Соотношение трения покоя, скольжения и качения. Примеры

Движение тела по горизонтальной плоскости (уч.10кл.стр.115-117)

Соскальзывание тела с наклонной плоскости (уч.10кл.стр.115-117)

См. выше «Сила трения»

Дата добавления: 2015-11-14