Фіз-мат клас
2. Взаємодія тіл. Сила. Закони динаміки Ньютона
Прості спостереження і досліди, наприклад з візками (рис. 3), призводять до наступних якісним висновків: а) тіло, на яке інші тіла не діють, зберігає свою швидкість незмінною; б) прискорення тіла виникає під дією інших тіл, але залежить і від самого тіла; в) дії тіл один на одного завжди носять характер взаємодії. Ці висновки підтверджуються при спостереженні явищ в природі, техніці, космічному просторі тільки в інерційних системах відліку.
Взаємодії відрізняються один від одного і кількісно, і якісно. Наприклад, ясно, що чим більше деформується пружина, тим більше взаємодія її витоків. Або чим ближче два однойменних заряду, тим сильніше вони будуть притягатися. У найпростіших випадках взаємодії кількісною характеристикою є сила. Сила - причина прискорення тіл (в інерціальній системі відліку). Сила - це векторна фізична величина, що є мірою прискорення, що купується тілами при взаємодії. Сила характеризується: а) модулем; б) точкою докладання; в) напрямком.
Одиниця сили - ньютон (Н). 1 ньютон - це сила, яка тілу масою 1 кг повідомляє прискорення 1 м / с 2 в напрямку дії цієї сили, якщо інші тіла на нього не діють. Рівнодіюча кількох сил називають силу, дія якої еквівалентно дії тих сил, які вона замінює. Рівнодіюча є векторної сумою всіх сил, прикладених до тіла:
Якісно за своїми властивостями взаємодії також різні. Наприклад, електричне і магнітне взаємодії пов'язані з наявністю зарядів у часток або з рухом заряджених частинок. Найбільш просто розрахувати сили в електродинаміки: сила Ампера -, сила Лоренца -, кулоновская сила - і гравітаційні сили: закон всесвітнього тяжіння -. Такі механічні сили, як сила пружності і сила тертя, виникають в результаті електромагнітної взаємодії частинок речовини. Для їх розрахунку необхідно використовувати формули: (закон Гука), - сила тертя.
На підставі узагальнення величезного числа досвідчених фактів і спостережень були сформульовані закони динаміки. Таке узагальнення було виконано Ісааком Ньютоном.
Перший закон Ньютона постулює существова-ня інерційних систем відліку і дає ознака, користуючись яким такі системи можна виділити з усього розмаїття систем відліку: існують такі системи відліку, щодо яких посту¬пательно рухається тіло зберігає свою швидкість постійною, якщо на нього не діють інші тіла (або дії інших тіл компенсуються).
Другий закон Ньютона відображає фундаменталь¬ное властивість матеріального світу, відповідно до якого щодо інерційних систем відліку прискорення тел виникає тільки під дією сил. Цей закон формулюється так.
Прискорення, з яким рухається тіло, прямо пропорційно рівнодіючої всіх сил, дей-ціалу на тіло, обернено пропорційно його масі і направлено так само, як і равнодействую¬щая сила:
Часто основний закон динаміки записують у вигляді, що дає універсальний спосіб визначення будь-яких сил на основі кінематичних методів вимірювання прискорення.
Третій закон Ньютона є узагальненням величезної кількості досвідчених фактів, що показують, що сили - результат взаємодії тіл. Він формулюється так: тіла діють один на одного з силами, рівними за модулем і протилежними за напрямком.
1. Багато абітурієнтів не розуміють, який зв'язок існує між законами Ньютона. Доводилося чути такі відповіді, в яких говорилося, що нібито перший закон Ньютона є наслідком другого закону Ньютона. Це не вірно.
Перший закон Ньютона (закон інерції) - важливий і самостійний закон. Він стверджує, що якщо на тіло не діють інші тіла, то воно знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху щодо інерціальної системи відліку. З цього закону випливає, що причиною зміни швидкості є сила. На питання про те, як рухається тіло під дією сили, відповідає другий закон Ньютона, устанавлівабщій кількісне співвідношення між прискоренням і силою. У першому і другому законах розглядається тільки одне тіло. Третій же закон Ньютона відображає той факт, що якщо одне тіло діє з деякою силою на інше телоЮ то на нього з боку іншого тіла також діє сила, рівна по модулю і протилежна за напрямком. першій. Таким чином сили завжди діють парами. Ці сили називають силами взаємодії. Таким чином, між законами Ньютона існує зв'язок, і їх не можна розглядати окремо.
2. Школярі, формально які засвоїли третій закон Ньютона, не могли правильно пояснити ряд питань. Наприклад:
Людина пересуває по підлозі шафа, штовхаючи його вперед, в результаті чого людина і шафа рухаються з деяким прискоренням. Але, відповідно до третього закону Ньютона, з якою силою людина діє на шафу, з такою ж силою, але спрямованої протилежно, шафа діє на людину. Чому ж вони рухаються вперед?
Тут є три взаємодії: людина - шафа, людина - підлогу і шафа - пол. Сила, зсувна шафа з місця, виникає внаслідок того, що людина впирається ногами в підлогу. Якби сила тертя спокою між ступнями людини і підлогою виявилася менше сили тертя спокою між шафою і підлогою, то людина не змогла б зрушити шафа з місця. Так що в даному випадку сила тертя, перешкоджаючи прослизанню ступень, робить можливим руху людини з шафою.
3. При вирішенні завдань по динаміці учні часто не можуть правильно вказати сили, що діють на тіло. Часто, крім реальних сил, придумують всякі інші: сила руху, яка прискорює сила, сила поштовху, кидка, інерції і т.п. Так, наприклад, говорять, що на тіло, яке равноускоренно рухається в горизонтальному напрямку, крім прикладеної сили, діють сила тяжіння, сила реакції опори, сила тертя, сила тяги і "прискорює" сила. Насправді реально існують тільки перші чотири.
3. При знаходженні модуля сили тертя вважають, що завжди, де - коефіцієнт тертя; - маса тіла; - прискорення вільного руху. Але це невірно. Вираз справедливо тільки в окремому випадку, коли тіло рухається по горизонтальній поверхні (або покоїться на ній, а якщо йдеться про сила тертя спокою). і при цьому на тіло у вертикальному напрямку ніякі сили, крім сили тяжіння і сили нормальної реакції опори, не діють.
Необхідно твердо пам'ятати, що модуль сили тертя пропорційний силі нормальної реакції опори:, і саме це вираженні треба використовувати при знаходженні сили тертя. не завжди спрямована проти напрямку дії сили тяжіння.
4. Правильно формулюючи той чи інший закон, учні не завжди можуть вказати умови, при яких він справедливий. У своїх відповідях багато хто не підкреслюють, наприклад, що закон Гука справедливий тільки чекаючи пружних деформаціях, що закони Ньютона виконуються тільки в інерційних системах відліку при русі тіл зі швидкостями, малими в порівнянні зі швидкістю світла, і т.п.
5. Деякі екзаменованих помилково вважають, що центр ваги тіла не може перебувати за межами цього тіла. Насправді може. Досить розглянути, наприклад, квалрат, зроблений з дроту, кільце, порожниста куля і ін.