Зв'язок між прискоренням і силою
Після того як ми навчилися вимірювати силу і знаємо, як визначати прискорення, можна відповісти на головне питання: як залежить прискорення тіла від діючих на нього сил?
Експериментальне визначення залежності прискорення від сили. Встановити на досвіді зв'язок між прискоренням і силою з абсолютною точністю не можна, так як будь-яке вимірювання дає тільки приблизне значення вимірюваної величини. Але помітити характер залежності прискорення від сили можна за допомогою нескладних дослідів. Вже прості спостереження показують, що, чим більше сила, тим швидше змінюється швидкість тіла, т. Е. Більше його прискорення. Природно припустити, що прискорення прямо пропорційно силі. Прискорення, звичайно, може залежати від сили і набагато більш складним чином, але спочатку треба подивитися, чи не справедливо найпростіше припущення.
Простіше за все вивчити поступальний рух тіла. наприклад металевого бруска, так як тільки при поступальному русі прискорення всіх точок однаково і ми можемо говорити про певний прискоренні тіла в цілому. Однак в цьому випадку сила тертя об стіл досить велика і, головне, її важко точно виміряти. Тому візьмемо встановлену на рейки візок з легкими колесами. Тоді сила тертя буде порівняно невелика, а масою коліс можна знехтувати в порівнянні з масою візка (рис.3.8).
Нехай на візок діє постійна сила з боку нитки, до кінця якої прикріплений вантаж. Модуль сили вимірюється пружинним динамометром. Ця сила постійна, але не дорівнює при русі силі тяжіння, що діє на підвішений вантаж. Виміряти прискорення візки безпосередньо, визначаючи зміна її швидкості за малий інтервал часу, досить важко. Але його можна оцінити, вимірюючи час, що витрачається візком на проходження шляху s.
Припускаючи, що при дії постійної сили прискорення теж постійно, так як воно однозначно визначається силою, можна використовувати кінематичні формули для рівноприскореного руху. При початковій швидкості, що дорівнює нулю,
де x0 і x1 - початкова і кінцева координати тіла. Звідси
Ретельні вимірювання модулів сил і прискорень показують пряму пропорційність між ними:. Вектори і спрямовані по одній прямій в одну і ту ж сторону.
Якщо на тіло одночасно діють кілька сил, то прискорення тіла буде пропорційно геометричній сумі всіх цих сил. Інакше кажучи, якщо:
то
Це положення іноді називають принципом суперпозиції (накладення) сил. Відзначимо, що дія кожної сили не залежить від наявності інших сил.
Що таке інерція? Отже, згідно з механіки Ньютона сила однозначно визначає прискорення тіла, але не його швидкість. Це потрібно дуже чітко уявляти собі. Сила визначає не швидкість, а то, як швидко вона змінюється. Тому покоїться тіло набуває помітну швидкість під дією сили лише за деякий інтервал часу.
Прискорення виникає відразу, одночасно з початком дії сили, але швидкість наростає поступово. Навіть дуже велика сила не в змозі повідомити тілу відразу значну швидкість. Для цього потрібен час. Щоб зупинити тіло, знову-таки потрібно, щоб гальмівна сила, як би вона не була велика, діяла деякий час.
Саме ці факти мають на увазі, коли говорять, що тіла інертні. Наведемо приклади простих дослідів, в яких дуже чітко проявляється інертність тел.
1. На малюнку 3.9 зображений масивний куля, підвішений на тонкій нитці. Внизу до кулі прив'язана точно така ж нитку. Якщо повільно тягнути за нижню нитку, то, як і слід було очікувати, порветься верхня нитка: адже на неї діють і куля своєю вагою, і сила, з якою ми тягнемо куля вниз. Однак якщо за нижню нитку дуже швидко смикнути, то обірветься саме вона, що на перший погляд досить дивно.
Але це легко пояснити. Коли ми тягнемо за нитку повільно, то куля поступово опускається, розтягуючи верхню нитку до тих пір, поки вона не обірветься. При швидкому ривку з великою силою розривається нижня нитка. Куля отримує велике прискорення. але швидкість його не встигає збільшитися скільки-небудь значно за той малий проміжок часу, протягом якого нижня нитка сильно розтягується і обривається. Верхня нитка тому мало розтягується і залишається цілою.
2. Цікавий досвід з довгою палицею, підвішеною на паперових кільцях (рис.3.10). Якщо різко вдарити по палиці залізним стрижнем, то палиця ламається, а паперові кільця залишаються неушкодженими. Цей досвід ви поясните самі.
3. Нарешті, самий, мабуть, ефектний досвід. Якщо вистрілити в порожній пластмасовий посуд, куля залишить в стінках правильні отвори, але посудину залишиться цілим. Якщо ж вистрілити в такий же посудину, заповнений водою, то посудину розірветься на дрібні частини. Це пояснюється тим, що вода малосжімаема і невелика зміна її обсягу призводить до різкого зростання тиску. Коли куля дуже швидко входить в воду, пробивши стінку судини, тиск різко зростає. Через інертності води її рівень не встигає підвищитися, і зростання тиску розриває посудину на частини.
Закони механіки і повсякденний досвід. Основне твердження механіки досить наочно і нескладно. Адже ми з народження живемо в світі тіл, рух яких підпорядковується законам механіки Ньютона.
Але іноді все ж придбані з життєвого досвіду уявлення можуть підвести. Так, занадто сильно вкорінюється уявлення про те, що швидкість тіла нібито завжди спрямована в ту ж сторону, куди направлена прикладена до нього сила. Насправді ж це не так. Наприклад, при русі тіла, кинутого під довільним кутом до горизонту, сила тяжіння спрямована вниз, і швидкість, дотична до траєкторії, утворює з силою деякий кут, який в процесі польоту тіла змінюється.
Сила є причиною виникнення не швидкість, а прискорення тіла. З направленням сили збігається в усіх випадках напрямок прискорення, але не швидкості.
Встановлено головний для динаміки факт: прискорення тіла прямо пропорційно діючої на нього силі.
.
1. Як пов'язано прискорення тіла з силою?
2. Що таке інерція! Наведіть приклади, що демонструють інерцію тел, не зазначені в тексті.
3. В яких випадках напрямок швидкості збігається з напрямом сили?
Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотскій, Фізика 10 клас
Матеріали з фізики. планування з фізики, завдання та відповіді по класам, плани конспектів уроків з фізики для 10 класу
Якщо у вас є виправлення або пропозиції до даного уроку, напишіть нам.
Якщо ви хочете побачити інші коригування та побажання до уроків, дивіться тут - Освітній форум.