Физика силы: Силы: трения, реакции опоры, упругости, тяжести, вес. Тест

Вопрос 1. При помощи динамометра ученик перемещал равномерно деревянный брусок массой 200 г по горизонтально расположенной доске. Каков коэффициент трения, если динамометр показывал 0,6 Н?

Вопрос 2. Какая сила действует у поверхности земли на человека массой 60 кг?

Вопрос 3. Под действием какой силы пружина, имеющая коэффициент жесткости 10000 Н/м, сжалась на 4 см?

Вопрос 4. Определите силу тяги (кН), развиваемую тепловозом при равномерном движении по горизонтальному пути, если коэффициент трения 0,03, а сила давления тепловоза на рельсы .

Вопрос 5. Сколько весит бензин объемом 25 л?

Вопрос 6. На сколько удлинится (мм) рыболовная леска (коэффициент жесткости 0,5 кН/м) при равномерном поднимании вертикально вверх рыбы массой 200г?

Вопрос 7. Брусок тянут по столу, прикладывая горизонтальную силу 1 Н.

Какова масса бруска, если он движется равномерно и коэффициент трения между бруском и столом равен 0,2?

Вопрос 8. Пружина с коэффициентом жесткости 100 Н/м под действием некоторой силы удлинилась на 5 см. Каков коэффициент жесткости пружины, которая под действием той же силы удлинилась на 1 см?

Вопрос 9. Деревянный брусок массой 2 кг тянут равномерно по деревянной доске, расположенной горизонтально, с помощью пружины жесткостью 100 Н/м. Коэффициент трения равен 0,3. Найти удлинение пружины.

Вопрос 10. Под действием груза массой 0,3 кг, подвешенного на пружине у поверхности Земли, пружина растянулась на 12 см. На сколько растянется (см) пружина под действием груза массой 3 кг, подвешенного к ней на высоте от поверхности Земли, равной двум земным радиусам.

Вопрос 11. Стальной магнит массой 50 г прилип к вертикально расположенной стальной плите. Для скольжения магнита вниз прикладывают силу 1,5 Н. С какой силой магнит прижимают к плите, если коэффициент трения равен 0,2?

Вопрос 12. На рисунке приведен график зависимости модуля силы упругости пружины от ее деформации. Какова жесткость пружины?

Вопрос 13. На рисунке приведен график зависимости модуля силы трения от модуля силы реакции опоры. Чему равен коэффициент трения скольжения?

Вопрос 14. На рисунке представлены графики зависимости удлинения от модуля приложенной силы для стальной (1) и медной (2) проволок разной длины и диаметра.

Найти отношение жесткости стальной проволоки к жесткости медной.

Вопрос 15. На каком графике представлена зависимость модуля силы упругости от удлинения пружины с жесткостью 1000 Н/м?

Вопрос 16.

Пружинные весы прикреплены к потолку и к ним подвешен груз весом 1500 Н. Под грузом стоит человек на платформе других весов, которые показывают вес человека 700 Н. Какое будет показание верхних весов в (Н), если человек с усилием 350Н будет стараться поднять груз

Вопрос 17. На полу лежит груз весом 1000Н, человек весом 500Н старается поднять его с силой 400Н, направленной вертикально вверх. С какой силой в (Н) давят на пол груз?

Вопрос 18. Фонарь массой 6кг подвешен на двух одинаковых тросах, образующих с вертикалью углы по 60гр каждый. Определите силу натяжения троса.

Вопрос 19. Пружины жесткостями 100 Н/м и 300 Н/м соединили последовательно. Пружиной какой жесткости можно заменить такую систему пружин?

Вопрос 20. Коэффициент жесткости резинового жгута 40 Н/м. Каков коэффициент жесткости такого же жгута, сложенного пополам?

Вопрос 21. На рисунке представлены графики зависимости модуля силы трения от модуля силы нормального давления для двух тел. Найдите соотношение коэффициентов

Вопрос 22. На тело массой 1 кг, лежащее на столе, действует горизонтальная сила, которая меняется со временем.


Если коэффициент трения равен 0,3, то зависимость силы трения от времени изображен на рисунке:

Содержание

Сила трения — определение, формула, виды, как найти?

Сила трения: величина, направление

С силой трения вы сталкиваетесь буквально каждую секунду. Каждый раз, когда вы взаимодействуете с любой поверхностью — идете по асфальту, сидите на стуле, пьете чай из чашки — на вас действует сила трения.

Трение — это и есть взаимодействие в плоскости соприкосновения двух поверхностей.

Чтобы перевести трение на язык физики, вводится понятие сила трения.

Сила трения

— это величина, которая характеризует процесс трения по величине и направлению.

Измеряется сила трения, как и любая сила — в Ньютонах.

Возникает сила трения по двум причинам:

  • Различные шероховатости, царапины и прочие «несовершенства» поверхностей. Эти дефекты задевают друг друга при соприкосновении и создается сила, тормозящая движение.
  • Когда контактирующие поверхности практически гладкие (до идеала довести невозможно, но стремиться к нему — значит устремлять силу трения к нулю), то расстояние между ними становится минимальным. В этом случае возникает взаимное притяжение молекул вещества этих поверхностей. Притяжение обусловлено взаимодействием между электрическими зарядами атомов. В связи с этим можно часто услышать формулировку «Сила трения — сила электромагнитной природы»

Направлена сила трения всегда против скорости тела. В этом плане все просто, но всегда есть вопрос:


В задачах часто пишут что-то вроде: «Поверхность считать идеально гладкой». Это значит, что сила трения в данной задаче отсутствует. Да, в реальной жизни это невозможно, но во имя красивой математической модели трением часто пренебрегают.

Не переживайте из-за этой несправедливости, а просто решайте задачи без трения, если увидели словосочетание «гладкая поверхность».

Сухое и вязкое трение

Есть очень большая разница между вашим соприкосновением с водой в бассейне во время плавания и соприкосновением между асфальтом и колесами вашего велосипеда.

В случае с плаванием мы имеем дело с вязким трением — явлением сопротивления при движении твердого тела в жидкости или воздухе. Самолет тоже подвергается вязкому трению и вон тот наглый голубь из вашего двора.

А вот сухое трение — это явление сопротивления при соприкосновении двух твердых тел. Например, если школьник ерзает на стуле или злодей из фильма потирает ладоши — это будет сухое трение.

А если злодей чистоплотный и потирает ладоши, капнув на них антисептик?

Тогда это вязкое трение, не смотря на то, что руки — твердые тела. В данном случае есть влажная прослойка.

Вязкое трение в школьном курсе физики не рассматривается подробно, а вот сухое — разбирают вдоль и поперек. У сухого трения также есть разновидности, давайте о них поговорим.

Трение покоя

Если вы решите сдвинуть с места грузовик, вряд ли у вас это получится. Не то, чтобы мы в вас не верим — просто это невозможно сделать из-за того, что масса человека во много раз меньше массы грузовика, да еще и сила трения мешает это сделать. Мир жесток, что тут поделать.

В случае, когда сила трения есть, но тело не двигается с места, мы имеем дело с силой трения покоя.

Сила трения покоя равна силе тяги. Например, если вы пытаетесь сдвинуть с места санки, действуя на них с силой тяги 10 Н, то сила трения будет равна 10 Н.

Сила трения покоя

Fтр = Fтяги

Fтр — сила трения покоя [Н]

Fтяги — сила тяги [Н]

Немного потренируемся!

Задача

Найти силу трения покоя для тела, на которое действуют сила тяги в 4 Н.

Решение:

Тело покоится, значит

Fтр = Fтяги = 4 Н

Ответ: сила трения равна 4 Н.

Трение скольжения

А теперь давайте скользить на коньках по льду. Каток достаточно гладкий, но, как мы уже выяснили, сила трения все равно будет присутствовать и вычисляться будет по формуле:

Сила трения скольжения

Fтр = μN

Fтр — сила трения скольжения [Н]

μ — коэффициент трения [—]

N — сила реакции опоры [Н]

Сила трения, которую мы получим по этой формуле будет максимально возможной — то есть больше уже некуда.

Сила реакции опоры — это сила, с которой опора действует на тело. Она численно равна силе нормального давления и противоположна по направлению.


Сила нормального давления — это то же самое, что и вес тела?

Не совсем. Сила нормального давления направлена всегда перпендикулярно поверхности (нормаль — перпендикуляр к поверхности). Вес не обязательно направлен перпендикулярно поверхности.

В рамках школьного курса вес всегда направлен перпендикулярно поверхности, поэтому силу реакции опоры можно численно приравнивать к весу.

Подробнее про вес тела читайте в нашей статье😇

Также, если тело находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры будет равна силе тяжести: N = mg.

Коэффициент трения — это характеристика поверхности. Он определяется экспериментально, не имеет размерности и показывает, насколько поверхность гладкая — чем больше коэффициент, тем более шероховатая поверхность. Коэффициент трения положителен и чаще всего меньше единицы.

Будем бдительны!

Из формулы не следует зависимость силы трения от площади соприкосновения. Например, если вы положите брусок на один бок и протащите по столу, а потом перевернете на другой, не равный по площади, и сделаете то же самое — сила трения не изменится.

Задача 1

Масса котика, лежащего на столе, составляет 5 кг. Коэффициент трения µ = 0,2. К коту прилагают внешнюю силу, равную 2,5 Н. Какая сила трения при этом возникает?

Решение:

По условию данной задачи невозможно понять, двигается наш котик или нет. Решение о том, приравниваем ли мы к силе тяги силу трения, принять сразу нельзя. В таких случаях нужно все-таки рассчитать по формуле:

F = μN

Так как котик лежит на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

F = μmg = 0,2 · 5 · 10 = 10Н

Мы получили максимально возможную силу трения. Внешняя сила по условию задачи меньше максимальной. Это значит, что котик находится в покое. Сила трения уравновешивает внешнюю силу. Следовательно, она равняется 2,5 Н.

Ответ: возникает сила трения величиной 2,5 Н

Задача 2

Барсук скользит по горизонтальной плоскости. Найти коэффициент трения, если сила трения равна 5 Н, а сила давления тела на плоскость — 20 Н.

Решение:

В данной задаче нам известно, что барсучок скользит. Значит нужно воспользоваться формулой:

Fтр = μN

Так как барсук находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе давления на плоскость: N = Fд.

Fтр = μFд

Выражаем коэффициент трения:

μ = Fтр / Fд = 5 / 20 = 0,25

Ответ: коэффициент трения равен 0,25

Задача 3

Пудель вашей бабушки массой 5 кг скользит по горизонтальной поверхности. Сила трения скольжения равна 20 Н. Найдите силу трения, если пудель сильно похудеет, и его масса уменьшится в два раза, а коэффициент трения останется неизменным.

Решение:

В данной задаче нам известно, что пудель скользит. Значит, нужно воспользоваться формулой:

Fтр = μN

Так как пудель находится на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры в данном случае равна силе тяжести: N = mg.

Fтр = μmg

Выразим коэффициент трения:

μ = Fтр / mg = 20 / 5 · 10 = 0,4

Теперь рассчитаем силу трения для массы, меньшей в два раза:

Ответ: сила трения будет равна 10 Н.

Задача 4

Ученик провел эксперимент по изучению силы трения скольжения, перемещая брусок с грузами равномерно по горизонтальным поверхностям с помощью динамометра.


Результаты экспериментальных измерений массы бруска с грузами m, площади соприкосновения бруска и поверхности S и приложенной силы F представлены в таблице.

Сила – Физика

Си́ла — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нём деформаций и напряжений.

Сила как векторная величина характеризуется модулемнаправлением и точкой приложения силы. Также используется понятие линия действия силы, обозначающее проходящую через точку приложения силы прямую, вдоль которой направлена сила.

Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальных системах отсчета ускорение материальной точки по направлению совпадает с равнодействующей всех сил, приложенных к телу, а по модулю прямо пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки. Или, что эквивалентно, скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе.

При приложении силы к телу конечных размеров в нём возникают механические напряжения, сопровождающиеся деформациями.

С точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц фундаментальные взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются посредством обмена так называемымикалибровочными бозонами. Эксперименты по физике высоких энергий, проведённые в 70−80-х гг. XX в. подтвердили предположение о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более фундаментального электрослабого взаимодействия.

 Единицей измерения в СИ является ньютон (русское обозначение: Н; международное: N).

Для обозначения силы обычно используется символ F 

Понятие силы использовали ещё ученые античности в своих работах о статике и движении. Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед. ПредставленияАристотеля о силе, связанные с фундаментальными несоответствиями, просуществовали в течение нескольких столетий. Эти несоответствия устранил в XVII в. Исаак Ньютон, используя для описания силы математические методы.  Механика Ньютона оставалась общепринятой на протяжении почти трехсот лет. К началу XX в. Альберт Эйнштейн в теории относительности показал, что ньютоновская механика верна лишь при сравнительно небольших скоростях движения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положения кинематики и динамики и описав некоторые новые свойствапространства-времени

Урок 08. Лекция 08. Силы в механике

Сила — физическая величина, которая определяет меру воздействия одного тела на другое.

Сила – векторная величина; она характеризуется:

Измеряется при помощи прибора «динамометр».

Единица измерения силы в Международной системе единиц (СИ) – Ньютон, обозначение [Н].

В природе существуют различные силы.

Гравитационные силы действуют между всеми телами – все тела притягиваются друг к другу. Но это притяжение существенно лишь тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих сил так же велико, как Земля или луна.

Электромагнитные силы действуют между заряженными частицами. В атомах, молекулах, живых организмах именно они являются главными.

Область ядерных сил очень ограничена. Они заметны только внутри атомных ядер (т.е. на расстоянии 10-12 см.)

Слабые взаимодействия проявляются на ещё меньших расстояниях. Они вызывают превращение элементарных частиц друг в друга.   

Основные виды сил: сила тяжести, сила трения, сила упругости.

Почему мяч, выпущенный из рук, падает вниз? Почему прыгнувший вверх человек вскоре снова оказывается внизу? У этих явлений одна и та же причина – притяжение Земли. Наблюдения за природными объектами показывают, что все окружающие тела ощущают притяжение к Земле. Падает вниз вода фонтанов, водопадов и листья деревьев.

Силу притяжения тел к Земле вблизи ее поверхности называют сила тяжести.

Fтяж = m·g   

Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз к поверхности Земли.  Сила тяжести направлена к центру Земли. Сила тяжести это гравитационная сила, приложенная к центру тела.

   

Сила тяжести – одно из проявлений силы всемирного тяготения.

Обозначим массу Земли – М, массу тела – m, радиус Земли – R, тогда сила тяготения:

   

Он же и есть сила тяжести.

   m – масса тела

   g – ускорение свободного падения.

Из закона Всемирного тяготения:  ,  где M – масса планеты, m – масса тела, R – расстояние до центра планеты; g – ускорение силы тяжести. Значит g не зависит от массы тела. 

g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения на поверхности Земли.

Сила тяжести это гравитационная сила, приложенная к центру тела и направленная к центру Земли.

В отсутствие других сил тело свободно падает на Землю с ускорением свободного падения. Среднее значение ускорения свободного падения для различных точек поверхности Земли равно 9,81 м/с2.

   

Значит g не зависит от массы тела.

На высоте h ускорение свободного падения равно  

При удалении от поверхности Земли сила земного тяготения и ускорение свободного падения изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния r до центра Земли.

При соприкосновении двух движущихся тел возникает сила, направленная против движения и препятствующая движению – сила трения.

Сила трения – это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, приложенная к движущемуся телу и направлена против движения.

Сила трения – это сила электромагнитной природы.

Возникновение силы трения объясняется двумя причинами:

1) Шероховатостью поверхностей
2) Проявлением сил молекулярного взаимодействия.

Силы трения всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям и подразделяются на силы трения покоя, силы трения скольжения, силы трения качения.

Fтр = м*N, где м – коэффициент трения , N – сила реакции опоры.

Сила упругости – сила, которая возникает при любом виде деформации тел и стремится вернуть тело в первоначальное состояние.  

Fупрx = – k*x, где k – жесткость тела [Н/м], х – абсолютное удлинение тела.

Сила упругости перпендикулярна поверхности взаимодействующих тел и направлена всегда против деформации.

Что такое Сила? – Определение, Единица, Типы, Формула, Применение

Аристотель, как известно, представил силу как все, что заставляет объект подвергаться «неестественному движению». Сэр Исаак Ньютон был одним из первых ученых, изучавших гравитацию и силу. Любая сила — это просто толчок или тяга. Это можно описать как толчок или вытягивание объекта.

Содержание

Что такое сила?Каковы эффекты силы?Формула силыЕдиницы силыТипы силы Примеры разрешённой силыЛиния действия силы

Что такое Сила?

Толчок или притяжение объекта считается силой. Толчок и тяга исходят от объектов, взаимодействующих друг с другом. Такие термины, как растяжение и сжатие, также могут использоваться для обозначения силы.
В физике сила определяется как:

Толчок или притяжение объекта с массой, которые заставляют его изменять свою скорость.

Сила — это внешний агент, способный изменить состояние покоя или движения конкретного тела. У него есть величина и направление. Направление, к которому приложена сила, известно как направление силы, а приложение силы — это точка приложения силы.

Силу можно измерить с помощью пружинных весов. Единицей силы в системе СИ является Ньютон (Н).

Общие символы: Ф→, Ф
Единица СИ: Ньютон
В основных единицах СИ: кг·м/с 2
Прочие единицы: дина, фунт-сила, фунт-сила, кип, килограмм-понд
Производные от других величин:  F = м а
Размер: LMT -2

Проверьте свое понимание этой концепции, ответив на несколько вопросов MCQ. Нажмите «Начать викторину», чтобы начать!

Выберите правильный ответ и нажмите кнопку «Готово»
Проверьте свой балл и ответы в конце викторины

Начать викторину

Посетите BYJU’S для всех запросов, связанных с физикой, и учебных материалов

0 из 0 ошиблись

0 из 0 верны

0 из 0 не пытались

Посмотреть ответы и анализ викторины

Каковы эффекты силы?

В физике движение определяется как изменение положения во времени.Проще говоря, движение относится к движению тела. Как правило, движение может быть описано как:

  1. Изменение скорости
  2. Изменение направления

Сила имеет различные эффекты, и вот некоторые из них.

  • Сила может заставить неподвижное тело двигаться.
  • Может остановить движущееся тело или замедлить его.
  • Может увеличить скорость движущегося тела.
  • Он также может изменять направление движения тела, а также его форму и размер.

Силовые видео
Сила и ее виды
Сила – толкай и тяни
Центростремительная и центробежная сила
Сила натяжения

Вы также можете ознакомиться с темами, приведенными ниже!

Формула Силы

Величина силы выражается векторным произведением массы (m) и ускорения (a). Уравнение или формулу силы можно математически выразить в виде:

Где,

  • м = масса
  • а = ускорение

Измеряется в ньютонах (Н) или кгм/с 2 .

Ускорение a определяется как

и = v/t

Где

  • v = скорость
  • t = затраченное время

Итак, Сила может быть сформулирована как:

F = мв/т

Формула

инерции обозначается как p = mv , что также можно выразить как импульса.

Таким образом, Сила может быть сформулирована как скорость изменения импульса.

F = p/t = dp/dt

Формулы силы полезны при определении силы, массы, ускорения, импульса, скорости в любой заданной задаче.

Единица силы

  • В сантиметр-грамм второй системе единиц (единица СГС) сила выражается в дин.
  • В стандартной международной системе единиц (СИ) выражается в Ньютон (Н) .

Виды силы

Сила — это физическая причина, которая может изменить состояние движения или размеры объекта. Есть два типа сил, основанных на их приложениях:

  1. Сила контакта
  2. Бесконтактная сила

Сила контакта

Силы, действующие на тело непосредственно или через среду, называются контактными силами.

Примеры контактных сил:

  • Мышечная сила
  • Механическая сила
  • Сила трения

Мы можем использовать мускульную силу животных, таких как быки, лошади и верблюды, чтобы выполнять действия. Сила трения — это еще один тип контактной силы, которая действует между парой контактирующих поверхностей и стремится противодействовать движению одной поверхности по другой.

Бесконтактная сила

Силы, действующие через пространства без непосредственного контакта с телом, называются бесконтактными силами.

Примеры бесконтактных сил:

  • Гравитационная сила
  • Электростатическая сила
  • Магнитная сила

Сила, с которой магнит действует на другие магниты, называется магнитной силой. Магнитная сила и электростатическая сила действуют на объект на расстоянии, поэтому они являются бесконтактными силами. Сила гравитации — это сила притяжения, с которой Земля воздействует на объекты, заставляя их падать на землю.Вес тела – это сила, с которой Земля притягивается к центру.

Примеры решенной силы

Q.1) Какая чистая сила необходима для ускорения автомобиля массой 1000 кг до скорости 4,00 м/с 2 ?

Решение:

Дано,

  • а = 4,00 м/с 2
  • м = 1000 кг

Следовательно,

F =

мА

= 1000 × 4

= 4000 Н

В. 2) У Эми есть игрушечная машинка массой 2 кг.Какую силу она должна приложить к машине, чтобы она двигалась с ускорением 8 м/с 2 ?

Решение:

Известно,

  • м (масса игрушечной машинки) = 2 кг,
  • а (Ускорение) = 8 м/с2,

F — Сила, прикладываемая прицеливанием = m × a

= 2 кг × 8 м/с2 = 16 кгм/с2 = 16 Н.

Q.3) Молоток массой 1 кг, движущийся со скоростью 6 м/с, ударяется о стену и останавливается в точке 0.{2}\) [знак -ve указывает на отставание]

Таким образом, тормозящая сила, F = ma = 1 × 60 = 60 Н

Что такое линия действия силы?

Линия, вдоль которой на тело действует сила, называется линией действия силы . Точка, в которой сила действует на объект, называется точкой приложения силы . Сила, противодействующая относительному движению между поверхностями двух соприкасающихся тел и действующая вдоль поверхностей, называется силой трения.

Галилей экспериментально доказал, что движущиеся объекты движутся с постоянной скоростью, когда на них не действует никакая сила. Он мог заметить, что когда шар катится по наклонной плоскости, его скорость увеличивается из-за действующего на него гравитационного притяжения.

Когда все силы, действующие на объект, уравновешены, результирующая действующая сила равна нулю. Но если все силы, действующие на тело, приводят к неуравновешенной силе, то неуравновешенная сила может ускорять тело, а это означает, что результирующая сила, действующая на тело, может либо изменить величину его скорости, либо изменить направление ее скорости. .Например, когда на тело действуют многие силы и тело находится в состоянии покоя, мы можем заключить, что результирующая сила, действующая на тело, равна нулю.

Часто задаваемые вопросы о силе

Какое взаимодействие в природе самое слабое?

Гравитация является самой слабой силой, так как ее константа связи невелика.

Какая сила сильнее?

Самая сильная сила — это сильное ядерное взаимодействие, которое в 100 раз сильнее электромагнитного взаимодействия.

Какие существуют виды сил?

В основном есть два типа сил:

  • Бесконтактные силы
  • Контактные силы

Какие есть примеры применения силы?

Некоторые примеры силы:

  • Гравитационная сила
  • Электрическая сила
  • Магнитная сила
  • Ядерная сила
  • Сила трения

Какая сила заставляет заряженный воздушный шар притягивать к себе другой воздушный шар?

4.1 Сила – Физика | ОпенСтакс

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Различие между силой, результирующей силой и динамикой
  • Нарисуйте диаграмму свободного тела

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:

  • (4) Научные концепции. Учащийся знает и применяет законы, управляющие движением, в различных ситуациях.Ожидается, что студент:
    • (C) анализировать и описывать ускоренное движение в двух измерениях с использованием уравнений, включая примеры снарядов и окружностей;
    • (E) разработать и интерпретировать диаграммы свободного тела.

[BL][OL] Обратите внимание на то, что объекты в состоянии покоя имеют тенденцию оставаться в покое. Мяч, например, движется только тогда, когда его толкают или тянут. Действие толкания или вытягивания представляет собой приложение силы. Сила, приложенная к объекту, изменяет его движение.

[AL] Начните дискуссию о силе и движении.Спросите учащихся, что произойдет, если к объекту будет приложено более одной силы. Для демонстрации возьмите тяжелый предмет, например стол. Попросите одного ученика толкнуть его с одной стороны. Объясните, как действуют сила и движение. Теперь попросите второго ученика подтолкнуть его в противоположном направлении. Спросите учащихся, почему не происходит никакого движения, хотя первый ученик прикладывает такое же усилие. Ввести понятие сложения сил.

Основные термины раздела

динамика внешняя сила сила
схема свободного тела чистая внешняя сила чистая сила

Определение силы и динамики

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[ПР] Объясните, что слово динамика происходит от греческого слова, означающего мощность .Также обратите внимание, что слово динамика стоит в единственном числе, как и слово физика .

[BL][OL] Вы можете ввести термины система, внешняя сила и внутренняя сила .

[AL] Объясните, что, говоря о силе, необходимо учитывать как величину, так и направление.

Демонстрация учителя

Используя физические объекты, продемонстрируйте, как различные силы, действующие вместе, могут суммироваться, если они действуют в одном направлении, или компенсировать друг друга, если они действуют в противоположных направлениях.Объясните термины , действующие на и , действующие на .

Сила есть причина движения, а движение привлекает наше внимание. Само движение может быть красивым, например, выпрыгивающий из воды дельфин, полет птицы или движение спутника по орбите. Изучение движения называется кинематикой, но кинематика описывает только способ движения объектов — их скорость и ускорение. Динамика рассматривает силы, влияющие на движение движущихся объектов и систем. Законы движения Ньютона лежат в основе динамики.Эти законы описывают, как объекты ускоряются, замедляются, остаются в движении и взаимодействуют с другими объектами. Это также универсальные законы: они действуют везде на Земле и в космосе.

Сила толкает или тянет объект. Объект, перемещаемый силой, может быть неодушевленным предметом, столом или одушевленным предметом, человеком. Толкание или притяжение может быть сделано человеком или даже гравитационным притяжением Земли. Силы имеют разные величины и направления; это означает, что одни силы сильнее других и могут действовать в разных направлениях.Например, пушка оказывает сильное воздействие на пушечное ядро, запущенное в воздух. Напротив, комар, приземлившийся на вашу руку, оказывает на нее лишь небольшое усилие.

Когда на объект действует несколько сил, они объединяются. Сложение всех сил, действующих на объект, дает общую силу или результирующую силу. Внешняя сила — это сила, которая действует на объект внутри системы извне системы. Этот тип силы отличается от внутренней силы, которая действует между двумя объектами, находящимися внутри системы. Чистая внешняя сила объединяет эти два определения; это полная объединенная внешняя сила. Мы обсудим дополнительные подробности о чистой силе, внешней силе и чистой внешней силе в следующих разделах.

С точки зрения математики, две силы, действующие в противоположных направлениях, имеют противоположные знаки (положительные или отрицательные). По соглашению отрицательный знак присваивается любому движению влево или вниз. Если сложить две силы, толкающие в противоположных направлениях, большая сила будет несколько компенсирована меньшей силой, толкающей в противоположном направлении.Важно быть последовательным в выбранной вами системе координат в задаче; например, если отрицательные значения присваиваются нисходящему направлению скорости, то расстояние, сила и ускорение также должны обозначаться как отрицательные в нисходящем направлении.

Диаграммы свободного тела и примеры сил

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] Просмотрите векторы и то, как они представлены. Просмотрите добавление вектора.

[AL] Попросите учащихся привести повседневные примеры ситуаций, в которых одновременно действуют несколько сил.Нарисуйте диаграммы свободного тела для некоторых из этих ситуаций.

В качестве первого примера силы рассмотрим объект, висящий на веревке. Этот пример дает нам возможность представить полезный инструмент, известный как диаграмма свободного тела. Диаграмма свободного тела представляет объект, на который воздействуют, то есть свободное тело, как единую точку. Показаны только силы, действующие на тело (то есть внешние силы), которые представлены векторами (которые нарисованы стрелками). Показаны только эти силы, потому что только внешние силы, действующие на тело, влияют на его движение.Мы можем игнорировать любые внутренние силы внутри тела, потому что они нейтрализуют друг друга, как объяснено в разделе о третьем законе движения Ньютона. Диаграммы свободного тела очень полезны для анализа сил, действующих на объект.

Фигура 4.2 Объект массой м удерживается силой натяжения.

На рис. 4.2 показана сила натяжения веревки, действующая вверх в направлении, противоположном силе тяжести. Силы указаны на диаграмме свободного тела стрелкой, указывающей вверх, представляющей напряжение, и другой стрелкой, указывающей вниз, представляющей гравитацию.На диаграмме свободного тела длины стрелок показывают относительную величину (или силу) сил. Поскольку силы являются векторами, они складываются так же, как и другие векторы. Обратите внимание, что две стрелки на рис. 4.2 имеют одинаковую длину, что означает, что силы натяжения и веса имеют одинаковую величину. Поскольку эти силы одинаковой величины действуют в противоположных направлениях, они идеально уравновешены, поэтому они складываются, чтобы дать результирующую силу, равную нулю.

Не все силы так заметны, как когда вы толкаете или тянете объект.Некоторые силы действуют без физического контакта, например притяжение магнита (в случае магнитной силы) или гравитационное притяжение Земли (в случае гравитационной силы).

В следующих трех разделах, посвященных законам движения Ньютона, мы узнаем о трех конкретных типах сил: трении, нормальной силе и гравитационной силе. Для анализа ситуаций, связанных с силами, мы создадим диаграммы свободного тела, чтобы организовать математические рамки для каждой отдельной ситуации.

Советы для успеха

Правильное рисование и обозначение диаграммы свободного тела — важный первый шаг к решению проблемы. Это поможет вам визуализировать проблему и правильно применить математику для решения проблемы.

Проверьте свое понимание

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте вопросы из Проверьте свое понимание , чтобы оценить, усвоили ли учащиеся учебные цели этого раздела.Если учащиеся испытывают трудности с выполнением определенной задачи, тест «Проверь свое понимание» поможет определить, какая цель вызывает проблему, и направит учащихся к соответствующему содержанию.

1 .

Что такое кинематика?

  1. Кинематика — это наука о движении.

  2. Кинематика – это наука о причине движения.

  3. Кинематика – это наука о размерах.

  4. Кинематика — это изучение атомных структур.

2 .

Должны ли два тела находиться в физическом контакте, чтобы воздействовать друг на друга?

  1. Нет, гравитационная сила является полевой силой и не требует физического контакта для проявления силы.
  2. Нет, гравитационная сила является контактной силой и не требует физического контакта для проявления силы.
  3. Да, гравитационная сила является полевой силой и требует физического контакта для проявления силы.
  4. Да, гравитационная сила является контактной силой и требует физического контакта для проявления силы.
3 .

Какой физической величиной является сила?

  1. Сила — скалярная величина.

  2. Сила является векторной величиной.

  3. Сила является как векторной, так и скалярной величиной.

  4. Сила не является ни векторной, ни скалярной величиной.

4 .

Какие силы могут быть представлены на диаграмме свободного тела?

  1. Внутренние силы
  2. Внешние силы
  3. Как внутренние, так и внешние силы
  4. Тело, на которое не действует никакая сила

Physics4Kids.com: Движение: Forces


Силы составляют большую часть физики. Физики уделяют много времени изучению сил , которые встречаются повсюду во Вселенной. Силы могут быть большими, например, притяжение звезды к планете. Силы также могут быть очень малыми, например, притяжение ядра к электрону. Силы действуют повсюду во Вселенной во все времена. Если бы вы были мячом, сидящим на поле, и кто-то ударил вас ногой, на вас подействовала бы сила. В результате вы будете прыгать по полю.Часто действует много сил. Физики могут не изучать их все одновременно, но даже если бы вы стояли на одном месте, на вас действовало бы множество сил. Эти силы будут включать в себя гравитацию, силу частиц воздуха, ударяющих ваше тело со всех сторон (а также от ветра), и силу, действующую на землю (называемую нормальной силой ).

Давайте посмотрим на силы, действующие на этот футбольный мяч до того, как вы его ударили ногой. Пока он сидел там, сила тяжести удерживала его на земле, в то время как земля толкала его вверх, поддерживая мяч.На молекулярном уровне поверхность шара удерживалась вместе, пока газ внутри шара пытался вырваться наружу. Возможно, также были небольшие силы, пытавшиеся толкнуть его, когда дул ветер. Эти силы были слишком малы, чтобы сдвинуть дело с мертвой точки, но они были. И мало ли что было под шаром. Возможно, под мячом застряло насекомое, пытающееся его подтолкнуть. Это еще одна сила, которую следует учитывать.

Если на объект действует более одной силы, их можно сложить, если они действуют в одном направлении, или вычесть, если они действуют в противоположных направлениях.Ученые измеряют силы в единицах, называемых ньютонов . Когда вы начнете решать задачи по физике в классе, вы можете прочитать, что сила, приложенная к футбольному мячу (от удара), может быть равна 12 ньютонам.

Когда речь заходит о силе, есть одна очень важная формула: F = ma . Это все, что есть, но все вращается вокруг этой формулы. «F» — это полная (чистая) сила , «m» — это масса объекта, а «a» — это ускорение , которое происходит.В предложении: «Чистая сила, приложенная к объекту, равна массе объекта, умноженной на величину его ускорения». Суммарная сила, действующая на футбольный мяч, равна произведению массы футбольного мяча на изменение его скорости каждую секунду (его ускорение). Вы помните, как ветер нежно дул на футбольный мяч? Сила, действующая на шарик, была очень мала, потому что масса воздуха была очень мала. Небольшие массы обычно создают небольшие силы, которые обычно приводят к небольшим ускорениям (изменениям в движении).Мы рассмотрим детали векторов на другой странице. Вектор может использоваться для представления любой силы. Вектор силы описывает определенную величину силы, приложенную в определенном направлении. Если вы будете пинать этот футбольный мяч с одинаковой силой, но в разных направлениях, и вы получите разные результаты…




Или поищите на сайтах по конкретной теме.

История концепции силы

Х.С. Ланг, Порядок природы в физике Аристотеля: место и элементы, Кембридж, издательство Кембриджского университета, 1998, с. 178.
М. Джаммер, Концепции силы, Минеола, Нью-Йорк, Dover Publications, Inc., 1957, стр. 35-36
М. Элазар, Оноре Фабри и концепция импульса: мост между концептуальными рамками, Дордрехт, Спрингер , The Primacy of Impetus, стр. 3-4
А. Стиннер, История силы: от Аристотеля до Эйнштейна. Физическое образование, вып. 29, нет. 2, 1994, стр. 77-85, с. 79
С. Голд, Делая более правдоподобным то, во что трудно поверить: исторические обоснования и иллюстрации третьего закона Ньютона. Наука и образование, том. 7, нет. 2, 1998, стр. 159-172, с. 160
Р. Л. Коэльо, Закон инерции: как понимание его истории может улучшить преподавание физики. Наука и образование, том. 16, нет. 9-10, 2007, стр. 955-974, с. 959
И. Б. Коэн, Ньютоновские концепции силы и массы, с примечаниями к законам движения. И. Б. Коэн и Г. Э. Смит (ред.). Кембриджский компаньон Ньютона , Кембридж, издательство Кембриджского университета.57-84, 2002, с. 61
Дж. К. Будри, Что было механическим в механике: концепция силы между метафизикой и механикой от Ньютона до Лагранжа, Дордрехт, Springer-Science+Business Media, BV, 2002, с. 94
С. Дюшен. Эксперимент Кавендиша как инструмент исторического понимания науки. Наука и образование, том. 21, нет. 1, 2012, стр. 87-108, стр. 89
К. Фронтали, История физических терминов: «давление». Физическое образование, вып. 48, нет. 4, 2013, стр. 484-490, стр. 485-486
М.Ланге, «Потому что без причины: непричинные объяснения в науке и математике», Оксфорд, Oxford University Press, 2017, с. 154
М. А. Ротман, Открытие законов природы: экспериментальная основа физики, Минеола, штат Нью-Йорк, Dover Publications Inc., 1989, с. 64
Д. Ф. Лах, Азия в процессе становления Европы, Том II: Век чудес, Чикаго, Иллинойс, издательство Чикагского университета, 1977, стр. 402

Сила, работа и мощность — исследование физического мира: введение в химию и физику

Динамика изучает силы, заставляющие объекты и системы двигаться.Чтобы понять это, нам нужно рабочее определение силы. Наше интуитивное определение силы — толчок или притяжение — является хорошей отправной точкой. Мы знаем, что толчок или притяжение имеют как величину, так и направление (следовательно, это векторная величина) и могут значительно различаться в каждом отношении. Например, пушка оказывает сильное воздействие на пушечное ядро, запущенное в воздух. Напротив, Земля оказывает на блоху лишь незначительное притяжение вниз. Наш повседневный опыт также дает нам хорошее представление о том, как складываются многочисленные силы.

Опыт подсказывает, что покоящийся объект останется в покое, если его оставить в покое, и что движущийся объект имеет тенденцию замедляться и останавливаться, если не предпринимать никаких усилий для поддержания его движения. Однако первый закон движения Ньютона гласит следующее:

Первый закон движения Ньютона

Тело, находящееся в состоянии покоя, остается в покое или, если оно находится в движении, остается в движении с постоянной скоростью, если на него не действует результирующая внешняя сила. Его также называют законом инерции.

Обратите внимание на повторное использование глагола «остается».«Мы можем думать об этом законе как о сохранении статус-кво движения.

Вместо того, чтобы противоречить нашему опыту, первый закон Ньютона утверждает, что должна существовать причина (которая является чистой внешней силой) для любого изменения скорости (либо изменения величины, либо направления) . Мы определим чистую внешнюю силу в следующем разделе. Объект, скользящий по столу или полу, замедляется из-за суммарной силы трения, действующей на объект. Если трение исчезнет, ​​будет ли объект по-прежнему замедляться?

Представление о причине и следствии имеет решающее значение для точного описания того, что происходит в различных ситуациях.Например, рассмотрим, что происходит с объектом, скользящим по шероховатой горизонтальной поверхности. Объект быстро останавливается. Если мы посыпаем поверхность тальком, чтобы сделать поверхность более гладкой, объект будет скользить дальше. Если мы сделаем поверхность еще более гладкой, нанеся на нее смазочное масло, объект будет скользить еще дальше. Экстраполируя на поверхность без трения, мы можем представить объект, бесконечно скользящий по прямой линии. Таким образом, трение является причиной замедления (в соответствии с первым законом Ньютона).Объект вообще не замедлился бы, если бы трение было полностью устранено. Рассмотрим стол для аэрохоккея. Когда воздух отключен, шайба скользит только на короткое расстояние, прежде чем трение замедляет ее до остановки. Однако, когда воздух включен, создается поверхность, практически лишенная трения, и шайба скользит на большие расстояния, не замедляясь. Кроме того, если мы достаточно знаем о трении, мы можем точно предсказать, как быстро объект замедлится. Трение — это внешняя сила.

Первый закон Ньютона является полностью общим и может быть применен ко всему: от предмета, скользящего по столу, до спутника на орбите и до крови, перекачиваемой из сердца.Эксперименты полностью подтвердили, что любое изменение скорости (скорости или направления) должно быть вызвано внешней силой. Идея общеприменимых или универсальных законов важна не только здесь — это основная черта всех законов физики. Выявление этих законов похоже на распознавание закономерностей в природе, из которых можно обнаружить дальнейшие закономерности. Гениальность Галилея, впервые разработавшего идею первого закона, и Ньютона, разъяснившего его, заключалась в том, чтобы задать фундаментальный вопрос: «Что есть причина?» Мышление в терминах причины и следствия — это мировоззрение, в корне отличное от типичного древнегреческого подхода, когда такие вопросы, как «Почему у тигра полосы?» ответили бы в аристотелевской манере: «Такова природа зверя. Возможно, правда, но не полезная информация.

Второй закон движения Ньютона тесно связан с первым законом движения Ньютона. Он математически устанавливает причинно-следственную связь между силой и изменениями в движении. Второй закон Ньютона носит более количественный характер и широко используется для расчета того, что происходит в ситуациях, связанных с силой.

Второй закон движения Ньютона

Ускорение системы прямо пропорционально суммарной внешней силе, действующей на систему, и имеет то же направление, что и обратно пропорционально ее массе.

В форме уравнения второй закон Ньютона равен

.

а = ∑Ф/м.

Это часто записывается в более привычной форме

.

∑F = ма.

Хотя эти два уравнения на самом деле одинаковы, первое дает более полное представление о том, что означает второй закон Ньютона. Закон представляет собой причинно-следственную связь между тремя величинами, которая не просто основана на их определениях. Справедливость второго закона полностью основана на экспериментальной проверке.

Единицы силы

Уравнение ∑F = ma используется для определения единиц силы с точки зрения трех основных единиц массы, длины и времени. Единица силы в СИ называется ньютон (сокращенно Н) и представляет собой силу, необходимую для ускорения системы массой 1 кг со скоростью 1 м/с 2 . То есть, поскольку ∑F = ma,

1 Н =1 кг⋅м/с 2

В то время как почти во всем мире в качестве единицы силы используется ньютон, в Соединенных Штатах наиболее распространенной единицей силы является фунт (фунт), где 1 Н = 0.225 фунтов

Чистая внешняя сила представляет собой сумму всех сил, действующих на объект. Например, если на объект действует сила величиной 8 ньютонов в положительном направлении и сила величиной 7 ньютонов в отрицательном направлении, чистая внешняя сила будет равна 8 + (-7) = 1 ньютон. . Если силы, действующие на объект, имеют одинаковую величину в противоположных направлениях, результирующая внешняя сила будет равна 0,

.

ПРИМЕР 8.1 КАКОЕ УСКОРЕНИЕ МОЖЕТ ПРИВЕСТИ ЧЕЛОВЕК, ТОЛКАЯ ГАЗОНОКОСИЛКУ?

Предположим, что чистая внешняя сила (толчок минус трение), действующая на газонокосилку, равна 51 Н (около 11 фунтов) параллельно земле.Масса косилки 24 кг. Каково его ускорение?

 

Рисунок 8.1 Чистая сила, действующая на газонокосилку, 51 Н вправо. С какой скоростью газонокосилка ускоряется вправо?

Стратегия

Поскольку ∑F и m заданы, ускорение можно рассчитать непосредственно из второго закона Ньютона, как указано в ∑F = ma.

Раствор

Величина ускорения a равна a = ∑F/m. Ввод известных значений дает

а = 51 Н/24 кг

Замена единиц кг⋅м/с 2 вместо N дает

а = (51 кг⋅м/с 2 )/224 кг = 2.1 м/с 2

Обсуждение

Направление ускорения совпадает с направлением чистой силы, которая параллельна земле. В этом примере нет информации об отдельных внешних силах, действующих на систему, но мы можем кое-что сказать об их относительных величинах. Например, сила, действующая на человека, толкающего косилку, должна быть больше, чем трение, противодействующее движению (поскольку мы знаем, что косилка движется вперед), а вертикальные силы должны уравновешиваться, если не должно быть ускорения в вертикальном направлении (ускорение в вертикальном направлении). косилка движется только горизонтально).Найденное ускорение достаточно мало, чтобы быть приемлемым для человека, толкающего косилку. Такое усилие не продлится слишком долго, потому что человек скоро достигнет максимальной скорости.

В мюзикле Man of La Mancha есть отрывок, относящийся к третьему закону движения Ньютона. Санчо, описывая ссору своей жены с Дон Кихотом, говорит: «Конечно, я ударил ее в ответ, ваша светлость, но она намного сильнее меня, и вы знаете, что они говорят: «камень попадет в кувшин или кувшин». попадает в камень, это будет плохо для питчера. Это именно то, что происходит всякий раз, когда одно тело действует с силой на другое, — первое также испытывает силу (равную по величине и противоположную по направлению). Многочисленные распространенные случаи, такие как ушиб пальца ноги или бросание мяча, подтверждают это. Это точно сформулировано в третьем законе движения Ньютона.

Третий закон движения Ньютона

Всякий раз, когда одно тело воздействует на другое тело, на первое тело действует сила, равная по величине и противоположная по направлению силе, которую оно оказывает.

Этот закон представляет определенную симметрию в природе : Силы всегда действуют парами, и одно тело не может воздействовать силой на другое, не испытывая на себе силы. Иногда мы в общих чертах называем этот закон «действием-противодействием», где прилагаемая сила является действием, а сила, воспринимаемая как следствие, является противодействием. Третий закон Ньютона имеет практическое применение при анализе происхождения сил и понимании того, какие силы являются внешними по отношению к системе.

Мы легко можем увидеть третий закон Ньютона в действии, взглянув на то, как люди передвигаются.Рассмотрим пловца, отталкивающегося от края бассейна, как показано на рис. 8.2. Она отталкивается ногами от стенки бассейна и ускоряется в направлении , противоположном направлению ее толчка. Стена воздействовала на пловца равной и противоположной силой. Вы можете подумать, что две равные и противоположные силы нейтрализуют друг друга, но это не так , потому что они действуют на разные системы . В этом случае есть две системы, которые мы могли бы исследовать: пловец или стена.Если в качестве интересующей системы выбрать пловца, как на рисунке, то стена F на ногах является внешней силой, действующей на эту систему и влияющей на ее движение. Пловец движется в направлении стены F на ногах . Напротив, сила F фута на стене действует на стену, а не на нашу интересующую систему. Таким образом, F ноги на стене не влияет непосредственно на движение системы и не отменяет F стена на ногах . Обратите внимание, что пловец отталкивается в направлении, противоположном тому, в котором он хочет двигаться.Таким образом, реакция на ее толчок идет в желаемом направлении.

 

Рисунок 8.2 Когда пловец прикладывает силу F фута к стене к стене, он ускоряется в направлении, противоположном направлению ее толчка. Это означает, что результирующая внешняя сила, действующая на нее, направлена ​​в сторону, противоположную F футов на стену . Это противодействие возникает потому, что в соответствии с третьим законом движения Ньютона стена оказывает на нее силу F стена на футах , равную по величине, но в направлении, противоположном тому, которое она оказывает на нее.Линия вокруг пловца указывает интересующую систему. Обратите внимание, что F ноги на стене не действует на эту систему (плавун) и, таким образом, не отменяет F стена на ногах . Таким образом, диаграмма свободного тела показывает только стену F на ногах , w — силу гравитации и BF — выталкивающую силу воды, поддерживающую вес пловца. Вертикальные силы w и BF сокращаются, так как нет вертикального движения.

Легко найти и другие примеры третьего закона Ньютона.Когда профессор шагает перед доской, она оказывает давление на пол назад. Пол оказывает на профессора реактивную силу, которая заставляет ее двигаться вперед с ускорением. Точно так же автомобиль ускоряется, потому что земля давит на ведущие колеса вперед в ответ на то, что ведущие колеса толкают землю назад. Вы можете увидеть следы отталкивания колес назад, когда шины пробуксовывают на гравийной дороге и отбрасывают камни назад. В другом примере ракеты движутся вперед, выбрасывая газ назад с большой скоростью.Это означает, что ракета оказывает большую обратную силу на газ в камере сгорания ракеты, и поэтому газ оказывает большую реактивную силу на ракету вперед. Эта сила реакции называется тягой. Это распространенное заблуждение, что ракеты движутся сами по себе, отталкиваясь от земли или воздуха позади себя. На самом деле они лучше работают в вакууме, где они легче удаляют выхлопные газы. Точно так же вертолеты создают подъемную силу, толкая воздух вниз, тем самым испытывая восходящую силу реакции.Птицы и самолеты также летают, воздействуя на воздух в направлении, противоположном тому, в котором они нуждаются. Например, крылья птицы толкают воздух вниз и назад, чтобы подняться и двигаться вперед. Осьминог передвигается в воде, выбрасывая воду через воронку из своего тела, подобно водному мотоциклу. В ситуации, похожей на ситуацию с Санчо, профессиональные бойцы в клетке испытывают силы реакции при ударе, иногда ломая себе руку, ударяя по корпусу соперника.

ССЫЛКА НА ОБУЧЕНИЕ: Используйте этот интерактивный симулятор от PhET, чтобы увидеть законы Ньютона в действии: силы и движение.

Что значит работать

Научное определение труда несколько отличается от его повседневного значения. Некоторые вещи, которые мы считаем тяжелой работой, например, написание экзамена или переноска тяжелого груза по ровной поверхности, не являются работой в том смысле, в каком ее определяют ученые. Научное определение работы раскрывает ее связь с энергией: всякий раз, когда работа выполняется, энергия передается.

Чтобы работа в научном смысле была совершена, должна быть приложена сила и должно быть смещение в направлении силы.

Что такое работа?

Работа, совершаемая над системой постоянной силой, равна произведению составляющей силы в направлении движения, умноженной на расстояние, на котором действует сила . Для одностороннего движения в одном измерении это выражается в виде уравнения как

.

Ш = F параллельный d

, где W — работа, F , параллельная , — величина силы, действующей на систему параллельно смещению, а d — величина смещения системы.

Что такое сила?

Сила — это слово вызывает в воображении множество образов: профессиональный футболист, отбрасывающий мускулы в сторону своего соперника, драгстер, с ревом удаляющийся от стартовой линии, вулкан, выбрасывающий свою лаву в атмосферу, или взлетающая ракета, как на рис. 8.3.

 

Рисунок 8.3 Эта мощная ракета на космическом челноке Endeavour работала и потребляла энергию с очень высокой скоростью. (кредит: НАСА)

Общим для этих образов мощности является быстрое выполнение работы, что согласуется с научным определением мощности (Р) как скорости, с которой выполняется работа.

МОЩНОСТЬ

Мощность – это скорость выполнения работы.

P = Вт/т

Единицей мощности в системе СИ является ватт (Вт), где 1 ватт равен 1 джоулю в секунду (1 Вт = 1 Дж/с)

Поскольку работа — это передача энергии, мощность — это также скорость, с которой расходуется энергия. Например, лампочка мощностью 60 Вт расходует 60 Дж энергии в секунду. Большая сила означает большой объем работы или энергии, развиваемый за короткое время. Например, когда мощный автомобиль быстро разгоняется, он выполняет большой объем работы и потребляет большое количество топлива за короткое время.

Простые машины

Простая машина — это механическое устройство, позволяющее выполнять тот же объем работы с меньшими усилиями за счет увеличения пройденного пути для уменьшения усилия. Шесть основных простых механизмов — это колесо и ось, наклонная плоскость (или пандус), шкив, рычаг, клин и винт.

ССЫЛКА НА ОБУЧЕНИЕ: Используйте эту интерактивную симуляцию, чтобы увидеть взаимосвязь между расстоянием, работой и силой: PhET Balancing Act Simulation

Проверьте свои знания

В этой симуляции единственным ускорением, воздействующим на эти объекты, является их гравитационное ускорение.Зная, что все они имеют одинаковое ускорение, мы можем рассматривать изменение массы объектов как пропорциональное силе, действующей на эти объекты, и, следовательно, использовать эту симуляцию для изучения взаимосвязи между силой, расстоянием и работой. Почему имеет смысл, что когда расстояние увеличивается, а работа остается неизменной, сила уменьшается? (СОВЕТ: посмотрите на уравнение W=f II d)?

Решение: если работа не меняется, сила должна уменьшаться с увеличением расстояния, чтобы сохранить равновесие.

Сила в физике: определение и примеры – видео и стенограмма урока

Силы, воздействующие на движущийся объект

Сначала движение было вызвано этими силами. Когда отдельный лист отделялся от дерева, он двигался как вертикально, так и горизонтально под действием силы тяжести и ветра, пока не остановился. Как быстро он двигался? Ну, это зависит от обстоятельств, потому что во время движения листа действовали и другие силы. Например, когда лист двигался вниз под действием силы тяжести, в противоположном направлении (вверх) также возникало небольшое сопротивление, создаваемое воздушной массой.Мы называем это силовым сопротивлением или сопротивлением воздуха. Вот почему вы иногда видите, как листья медленно падают на землю. Также могла иметь место небольшая сила сопротивления воздуха (лобового сопротивления), действовавшая против ветра в горизонтальном направлении.

Силы, воздействующие на статический объект

Допустим, лист упал на землю и остался там, где приземлился. Остались силы? Конечно. Гравитация все еще тянула лист вертикально вниз, а ветер, возможно, все еще толкал лист горизонтально.Но лист пришел в себя. Почему? Потому что теперь были задействованы другие силы. Земля отталкивала лист вертикально с противодействующей силой, равной по величине силе тяжести. Кроме того, земля взаимодействовала с листом, вызывая трение, силу, действовавшую в горизонтальном направлении, так что лист не двигался, даже если на него все еще дул ветер.

Теперь представим силы листом на земле:

Опять же, лист не движется из-за присутствия равных и противоположных сил.Путешествие листа и пункт назначения указывают на пару других фактов о силе:

  • Нет необходимости в контакте между взаимодействующими объектами, чтобы присутствовала сила. Вспомните силу гравитации между Землей и листом во время его падения.
  • Для присутствия силы не обязательно должно быть движение, связанное с взаимодействующими объектами. Все противоборствующие силы находились в равновесии, когда лист неподвижно лежал на земле.

Другой пример

В другом примере давайте подумаем о том, что происходит, когда вы держите стакан с водой.Ваша рука и стакан могут быть совершенно неподвижны, но существует множество различных сил, удерживающих стакан неподвижно. Сначала ваша рука сжимает стекло, прилагая усилие внутрь с разных сторон, а стекло отталкивает с равной силой, чтобы оно не разбилось и чтобы оно не двигалось горизонтально. Во-вторых, земля взаимодействует со стеклом (гравитацией), притягивая его вниз в вертикальном направлении. Но сопротивление (трение), вызванное взаимодействием вашей руки со стеклом, обеспечивает равную и противоположную силу, так что стекло не выскальзывает и не падает.Давайте проиллюстрируем, что здесь происходит:

Эти разные силы, действующие в разных направлениях, работают согласованно и уравновешивают стекло, удерживая его в неподвижном состоянии.

Краткий обзор урока

Так что помните, вокруг вас действуют силы, и вы постоянно их используете. Сила включает взаимодействие между двумя или более объектами и вызывает толчок или притяжение между объектами. Всегда существует направление, связанное с силой.Хорошие примеры противодействующей силы включают сопротивление из-за взаимодействия с воздушной массой и силу из-за трения между двумя объектами. Даже если взаимодействующие объекты не двигаются, могут присутствовать противоположные силы, находящиеся в равновесии. Наконец, помните, что объекты не обязательно должны соприкасаться, чтобы присутствовала сила (например, гравитация).

Испытание новой универсальной силы путем взрыва нейтронов через кристалл

Загадочные силы могут быть надежным образцом в научной фантастике, но в действительности физики давно согласны с тем, что все взаимодействия между объектами, очевидно, возникают только из четырех фундаментальных сил.Тем не менее, это не остановило их от горячих поисков дополнительной, пока неизвестной пятой фундаментальной силы. Открытие такой силы потенциально может решить некоторые из самых больших открытых вопросов современной физики, от природы темной энергии до кажущихся непримиримыми различий между квантовой механикой и общей теорией относительности. Теперь недавний эксперимент, проведенный в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), предлагает свежие намеки на возможный характер пятой силы.Международное сотрудничество исследователей использовало нейтроны и кристалл кремния, чтобы установить новые пределы силы потенциальной пятой фундаментальной силы в атомных масштабах. Исследование, опубликованное в журнале Science в сентябре, также включает измерения точной структуры как кристаллов кремния, так и самих нейтронов.

«Эта работа по поиску «пятой силы» фактически продолжается по всей шкале длины человеческого наблюдения», — говорит физик NIST Бенджамин Хикок, ведущий автор исследования.По его словам, поскольку разные теории предсказывают разные свойства пятой силы, физики искали ее незаметные эффекты во всем, от наблюдений за астрономическими объектами, такими как галактики, до мельчайших движений специально изготовленных микроскопических инструментов. Однако пока все поиски ни к чему не привели.

«Есть основания полагать, что мы что-то упускаем», — отмечает Эрик Адельбергер, физик из Вашингтонского университета, не участвовавший в исследовании. Его собственная команда ранее искала некоторые из предложенных новых сил и с большой экспериментальной уверенностью не нашла вообще ничего.В работе, отмеченной в 2021 году премией «Прорыв», они пришли к выводу, что пятая сила должна быть намного слабее, чем предсказывали некоторые теории, или что ее просто не существует. Эксперимент NIST следует той же идее, но использует новую экспериментальную технику. «С точки зрения экспериментатора цель состоит в том, чтобы продвинуться вперед в ограничении [силы] новых сил везде, где эксперимент может это сделать, и для нас это происходит на атомном уровне», — говорит Хикок.

Измерение релевантных взаимодействий в таких масштабах, по словам Адельбергера, является уникально сложной задачей, отчасти потому, что в атомной сфере типичный объект примерно в миллион раз меньше ширины среднего человеческого волоса. «Вы должны спросить, сколько материи вы можете получить в небольшом объеме, связанном с этой шкалой длины? Он совсем крошечный», — говорит он. И даже незначительное влияние других известных сил, таких как электромагнетизм, может легко помешать тонким измерениям. Чтобы решить эту проблему, команда NIST использовала нейтроны, нейтрально заряженные субатомные частицы, обычно встречающиеся в атомных ядрах, поскольку нейтроны практически не подвержены электромагнитным воздействиям.

Кроме того, еще более мелкие частицы, из которых состоят нейтроны, называемые кварками, так сильно «склеены» вместе сильным взаимодействием (одним из четырех известных фундаментальных взаимодействий), что физически их чрезвычайно трудно разрушить.«Сильное взаимодействие, которое удерживает кварки вместе в нейтроне, составляет безумно сил, поэтому нейтрон почти не искажается, когда он приближается к [другой] материи», — объясняет У. Майкл Сноу, физик из Университета Индианы, который также не участвовал в этом. с новым экспериментом. Следовательно, изучение поведения нейтронов хорошо подходит для поиска новых взаимодействий, потому что существует не так много легко измеримых эффектов, влияющих на эти субатомные частицы. Один из соавторов нового исследования, Альберт Янг, физик из Университета штата Северная Каролина, формулирует это просто: «В настоящее время в нашей [атомной] шкале длины нейтроны как бы правят.

В своем эксперименте исследователи наблюдали за нейтронами, прошедшими через специально обработанный почти идеальный кремниевый кристалл, изготовленный сотрудниками Центра передовой фотоники RIKEN в Японии. «Кремний — распространенный материал, но точная обработка кремния — очень сложная задача», — подчеркивает Майкл Хубер, физик из Национального института технологий и технологий и еще один соавтор исследования. Внутри этого совершенного кристалла, защищенного от света, тепла, вибраций и других источников внешнего шума благодаря специальным средствам NIST, атомы кремния расположены в виде предсказуемой сетки.

Нейтроны, проходящие через эту сетку, столкнулись с одними атомами кремния и уклонились от других. Однако, поскольку путешествие нейтронов происходило в атомном масштабе, где законы квантовой механики диктуют, что все частицы ведут себя как волны, их столкновения с атомами кремния были подобны прибоям, врезающимся в берег, усеянный крупными, равномерно расположенными камнями. Когда нейтрон столкнулся с атомом кремния, это взаимодействие создало что-то вроде ряби нейтронной волны. Эта рябь накладывалась на другую рябь нейтронных волн, возникающую вблизи соседних атомов кремния, что приводило к картине интерференции волн, мало чем отличающейся от бурной, изменчивой воды вдоль скалистого побережья.

Что наиболее важно, благодаря продуманному экспериментальному плану исследователи добились того, что некоторые нейтронные «волны», плещущиеся о «берегах» атома кремния, перекрываются очень специфическим образом, что приводит к так называемым пенделлесунговским колебаниям. Эти колебания примерно аналогичны ударам, и их лучше всего рассматривать как пульсирующие, чередующиеся звуковые эффекты, то низкий, то громкий, которые возникают, когда две почти идентичные звуковые волны воспроизводятся одновременно. В случае этого нового эксперимента они похожи на отчетливую, но трудно обнаруживаемую рябь в нейтронных волнах, разбивающихся о кремниевый берег.«Хотя интерференция Pendellösung была обнаружена и продемонстрирована уже давно, в 1960-х годах в Массачусетском технологическом институте, она редко используется, и большинство экспериментов не чувствительны к ней», — объясняет Хубер.

Его команда тщательно проанализировала эти особые колебания, ища ключевые детали о кремниевых «камнях» и нейтронных волнах, которые врезались в них. Как будто они могли сказать, сколько «воды» несет каждая «волна», двигались ли какие-либо «камни» при столкновении и многое другое. Важно отметить, что если бы имело место взаимодействие пятой силы атомного масштаба, детали интерференционной картины нейтронных волн выявили бы его присутствие, подобно тому, как рябь на волнах прибоя может повторять контуры затопленной морской стены.Хотя исследователи не обнаружили никаких признаков пятой силы, они установили новый предел, в 10 раз более строгий, чем раньше, на то, насколько сильной может быть такая сила.

Команда NIST считает, что их инновационная экспериментальная установка позволит им проводить еще более точные измерения в будущем. Им уже удалось, например, вывести детали расположения кварков внутри нейтрона, а также некоторые точные движения атомов кремния, которые могут оказаться полезными для производства тонко настроенной электроники.Однако их стремление ограничить силу пятого взаимодействия, задача, которую они решают, комбинируя несколько отдельных измерений нейтронных свойств при определенных предположениях, остается самой многообещающей и самой сложной частью их работы. «Мы можем продолжать и должны продолжать поиски [пятого взаимодействия]», — говорит Ёсио Камия, физик из Токийского университета, не участвовавший в новом исследовании. «Это всего лишь один шаг».

Адельбергер соглашается и с нетерпением ждет новых результатов следующего этапа экспериментов.«Чтобы получить такой результат, нужно многое сделать, — говорит он. «Это крошечный эффект, и исследователи должны учитывать все другие крошечные эффекты». И Камия, и Адельбергер считают, что есть место для споров о том, насколько сильно новая работа должна заставить физиков пересмотреть свои теории о силе возможного пятого взаимодействия. Основываясь на текущем исследовании, говорит Адельбергер, остается слишком много потенциальных источников ошибок; По его словам, даже если бы команда NIST нашла положительные доказательства существования новой силы, это нельзя было бы считать действительно окончательным.

Хикок отмечает, что у его команды уже есть идеи для продвижения своей работы, например, путем использования кристаллов германия вместо кремния, в которых атомы расположены в разных структурах, что может быть еще более полезным для точных наблюдений нейтронной интерференции. Другая цель состоит в том, чтобы серьезно расширить доступный каталог точных измерений атомного масштаба для всех без исключения физиков, охотящихся за пятой силой, чтобы они могли консультироваться в своей независимой работе. В идеале, отмечает Хикок, измерения в новом исследовании — это лишь первые несколько измерений, открывающих дверь для десятков других.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.