uabooks.top » Физика » 10. Сила. Масса. Второй и третий законы Ньютона
Інформація про новину
  • Переглядів: 45
  • Дата: 1-12-2020, 01:24
1-12-2020, 01:24

10. Сила. Масса. Второй и третий законы Ньютона

Категорія: Физика




 

1. Вспоминаем силу

Представьте: вы разогнались на велосипеде и перестали крутить педали. В конце концов велосипед обязательно остановится — его скорость постепенно упадет до нуля. А вот время остановки велосипеда, а следовательно, и его ускорение существенно зависят от того, нажимаете ли вы при этом на тормоз. То есть одно и то же тело в результате разного воздействия (взаимодействия) получает разное ускорение. В результате разного воздействия тело может также по-разному изменять свои форму и размеры — деформироваться.

Количественной мерой взаимодействия является сила.

Сила F в механике — это векторная физическая величина, являющаяся мерой взаимодействия тел, в результате которого тела получают ускорения или (и) деформируются.

1 Н равен силе, которая, действуя на тело массой 1 кг, сообщает ему ускорение 1 м/с1 2.

Силой называют также действие одного тела на другое. Например, можно сказать: на мяч действует сила упругости, хотя на самом деле на мяч действуют руки волейболиста, действие которых характеризует сила упругости.

Результат действия силы F зависит от модуля F этой силы, ее направления и места приложения (если тело не является материальной точкой) (рис. 10.1).

Приведите несколько примеров (движение, спорт, приготовление пищи и др.), когда необходимо задуматься, какую силу (большую или меньшую) нужно приложить и куда ее направить.

Рис. 10.1. Если вы, играя в волейбол, ударите по мячу, то можете ускорить его движение, остановить, изменить направление движения или закрутить — это зависит от направления, точки приложения и силы удара

 

2. Почему тела по-разному реагируют на одно и то же действие

Изменение скорости движения тела зависит не только от силы, действующей на тело: если к теннисному мячу и метательному ядру приложить одинаковую силу, скорость движения ядра изменится меньше или для того же изменения скорости необходимо будет больше времени. То есть разным телам свойственно по-разному реагировать на одно и то же действие.

Свойство тела, которое заключается в том, что для изменения скорости движения тела под действием силы требуется некоторое время, называют инертностью.

Чем тело инертнее, тем меньшее ускорение оно приобретает в результате одного и того же действия. В приведенном выше примере ядро инертнее мяча, ведь в результате одного и того же действия оно медленнее мяча изменяет скорость своего движения. Инертные свойства тела характеризует инертная масса тела.

Любое тело имеет также свойство гравитационно взаимодействовать с другими телами. Это свойство характеризуется гравитационной массой тела. Инертная масса тела равна его гравитационной массе, поэтому далее будем говорить просто о массе тела.

Масса т — физическая величина, являющаяся мерой инертности и мерой гравитации тела.

Измерить массу тела означает сравнить ее с массой тела, масса которого принята за единицу. Один из распространенных способов прямого измерения массы тела — взвешивание (масса — мера гравитации, поэтому тела равной массы одинаково притягиваются к Земле, а значит, одинаково давят на опору).

Взвешивание — самый удобный способ измерения массы, но не универсальный. Как, например, измерить массу молекулы или массу Луны, ведь положить эти объекты на весы невозможно? В таких случаях используют тот факт, что масса — мера инертности. Если на два тела массами mi и m2 действуют одинаковые силы, то сравнить массы этих тел можно, если определить ускорения, приобретенные телами в результате действия этих сил·.

Попробуйте доказать последнее утверждение, опираясь на второй закон Ньютона. Если не получится, вернитесь к вопросу после изучения пункта 3 § 10.

Основные свойства массы

1. Масса тела — величина инвариантная: она не зависит ни от выбора системы отсчета, ни от скорости движения тела.

2. В классической механике масса тела — величина аддитивная: масса тела равна сумме масс всех частиц, из которых состоит тело, а масса системы тел равна сумме масс тел, образующих систему.

3. В классической механике выполняется закон сохранения массы: при любых процессах в системе тел общая масса системы остается неизменной; масса тела не изменяется при его взаимодействии с другими телами.

 

3. Второй закон Ньютона

Поставим на твердую горизонтальную поверхность легкоподвижную тележку и станем тянуть ее с помощью груза. Массу груза для каждого опыта будем подбирать так, чтобы растяжение пружин при движении тележки было одинаковым. Измеряя время t, в течение которого тележка проходит, например,

расстояние s = 2 м, будем определять ускорение движения тележки

Опыты, подтверждающие справедливость второго закона Ньютона

Учитывая, что единицу силы выбирают так, что коэффициент пропорциональности в выражении

равен 1, сформулируем второй закон Ньютона:

Ускорение, которое приобретает тело в результате действия силы, прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально массе тела:

Второй закон Ньютона, записанный в виде

выполняется только

в инерциальных системах отсчета.

• Обычно на тело действуют несколько сил. Если тело можно считать материальной точкой, все эти силы можно заменить одной — равнодействующей. Равнодействующая равна геометрической сумме сил, действующих на тело:

(рис. 10.2), поэтому второй закон Ньютона записывают так:

Направление ускорения движения всегда совпадает с направлением равнодействующей сил, действующих на тело:

• Если силы, действующие на тело, скомпенсированы, то есть равнодействующая равна нулю

тело не будет изменять скорость своего движения ни по значению, ни по направлению: а = 0 (рис. 10.3), а следовательно, будет двигаться равномерно прямолинейно или находиться в состоянии покоя.

• Тело движется равноускоренно прямолинейно, если равнодействующая сил, приложенных к телу, не изменяется со временем.

4. Третий закон Ньютона

«Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе: действия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны» — так И. Ньютон сформулировал свою третью и последнюю «аксиому движения».

Какие проявления третьей «аксиомы движения» вы наблюдаете сейчас? с какими «встретились» в течение дня? в течение недели?

Силы всегда возникают парами: если тело А действует на тело Б с силой , то обязательно есть «обратная» сила F2, действующая на тело А со стороны тела Б, причем сила F2 равна по модулю силе F1 и противоположна ей по направлению: Fl=-F2. А вот проявления этих сил (или одной из них) не всегда заметны. Например, когда яблоко упало с яблони, разбилось и примяло траву, мы видим и «действие», и «противодействие». Также хорошо заметно действие Земли на яблоко (яблоко упало), а вот противодействие (притяжение Земли к яблоку) мы не заметим.

Подчеркнем: «действие» и «противодействие» — это всегда силы одинаковой природы, они всегда направлены вдоль одной прямой (рис. 10.4) — и сформулируем третий закон Ньютона в современном виде:

Тела взаимодействуют с силами, которые имеют одинаковую природу, направлены вдоль одной прямой, равны по модулю и противоположны по направлению:

Рис. 10.4. Силы, возникающие при взаимодействии, имеют одинаковую природу, направлены вдоль одной прямой, равны по модулю и противоположны по направлению

 

5. Смог бы Мюнхгаузен вытянуть себя за косичку из болота

При любом взаимодействии двух тел возникает пара равных по модулю и противоположных по направлению сил. И очень хорошо, что эти силы не имеют равнодействующей, ведь они приложены к разным телам и поэтому не могут уравновесить (компенсировать) друг друга, иначе мы были бы обречены на неподвижность или на непрерывное равномерное прямолинейное движение.

Несколько иначе обстоит дело, когда точки, к которым приложена пара сил, являются частями одного тела (одной системы материальных точек). В таком случае векторная сумма всех внутренних сил системы равна нулю

складываются пары равных по модулю и противоположных по направлению сил), поэтому внутренние силы не сообщают телу ускорения (благодаря внутренним силам тело не может ни сдвинуться с места, ни остановиться, ни изменить направление движения). Чтобы тело приобрело ускорение, нужны внешние силы.

Так смог бы барон Мюнхгаузен, герой известного произведения Р. Э. Распе, вытянуть себя из болота за волосы? А как смог бы?

Подводим итоги

Сила F — векторная физическая величина, являющаяся мерой взаимодействия тел, в результате которого тела получают ускорения или (и) деформируются. Единица силы в СИ — ньютон (Н). Если на материальную точку одновременно действуют несколько сил, их можно заменить равнодействующей

• Основной закон динамики — второй закон Ньютона: ускорение, которое приобретает тело в результате действия силы, прямо пропорционально этой

силе и обратно пропорционально массе тела:

Этот закон выполняется

только в инерциальных СО.

• Третий закон Ньютона — закон взаимодействия: тела взаимодействуют с силами, которые имеют одинаковую природу, направлены вдоль одной прямой, равны по модулю и противоположны по направлению:

Пара сил,

возникающих при взаимодействии двух тел, не уравновешивают друг друга, поскольку приложены к разным телам.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте силу и массу как физические величины. 2. Дайте определение инертности. 3. На каких свойствах тела основан каждый из способов измерения массы? 4. От каких факторов зависит ускорение движения тела? 5. Сформулируйте второй закон Ньютона. 6. Как записать второй закон Ньютона, если на тело действуют несколько сил? 7. Сформулируйте третий закон Ньютона. Приведите примеры его проявления. 8. Когда пара сил, возникающих при взаимодействии двух тел, уравновешивают друг друга?

Упражнение № 10

1. Благодаря инертности можно сэкономить автомобильное топливо. Как и почему это возможно?

2. Будет ли двигаться тележка (см. рисунок), если магниты достаточно мощные? Ответ обоснуйте.

3. Бильярдный шар под действием двух взаимно перпендикулярных сил 0,81 и 1,08 Н приобретает ускорение 5 м/с2. Определите массу шара.

Ответьте на вопросы, приведенные в начале § 10.

5. Поясните утверждение: «Инертность — это свойство тела, инерция — это явление природы».

6. Мальчик массой 60 кг прыгает с высоты 1,8 м. С какой силой ноги мальчика ударятся о землю, если он: 1) не согнул колени и время остановки составило 0,1 с? 2) согнул колени, и в результате время остановки увеличилось в 10 раз?

7. Классическая задача. Лошадь тянет телегу. Согласно третьему закону Ньютона: с какой силой лошадь тянет телегу, с такой же силой телега тянет лошадь. Почему же тогда телега движется за лошадью, а не наоборот?

8. Придумайте несколько простых задач на применение второго и третьего законов Ньютона. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации, чтобы данные задач были реальными. Оформите и решите эти задачи.

Экспериментальное задание

Предложите несколько экспериментов для проверки третьего закона Ньютона. Проведите их.

Физика и техника в Украине

Олег Константинович Антонов (1906-1984) — выдающийся украинский советский самолетостроитель, ведущий авиаконструктор СССР, академик АН УССР и АН СССР. О. К. Антонов — один из основателей советского планеризма. Он создал более 50 типов планеров, на которых были установлены многочисленные мировые рекорды. Однако мировую славу О. К. Антонов приобрел как конструктор надежных пассажирских и транспортных самолетов.

С 1946 г. О. К. Антонов — главный, а с 1967 г. — генеральный конструктор опытноконструкторского бюро (сейчас оно называется Государственное предприятие «Антонов»).

Под руководством О. К. Антонова разработаны транспортные самолеты Ан-8, Ан-12, Ан-22, Ан-26, Ан-32, Ан-72, многоцелевые самолеты Ан-2, Ан-14, пассажирские самолеты Ан-10, Ан-24 и др. Транспортные самолеты Ан-124 «Руслан» и Ан-225 «Мрия» и сегодня незаменимы для перевозок крупногабаритных грузов.

НАНУ учредила премию им. О. К. Антонова за выдающиеся достижения в области технической механики и самолетостроения.

 

Это материал учебника Физика 10 класс Барьяхтар, Довгий

 





^