Тема 05 · Физика · подтема 2 из 6

Закон Гука

Силы в природе. 100 заданий.

Решено

Правильно

Точность

Простыми словами

Мяч падает — его тянет Земля. Растянутая резинка возвращается — её «тянет» обратно упругость. Санки останавливаются — мешает трение. Везде одно тело действует на другое, и это действие называют силой.

Сила $F$ — мера действия одного тела на другое; от неё меняется скорость тела или его форма. Единица — ньютон (Н). Сила имеет величину, направление и точку приложения, на рисунке — стрелка.

Силы, действующие на брусок, который тянут по столу

Сила тяжести и вес

F_{т} = m g

сила тяжести

где $m$ — масса, кг; $g \approx 9, 8 Н / кг$ — ускорение свободного падения. Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает тело; приложена к телу, направлена к центру Земли (вниз).

Вес тела $P$ — сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. Приложен к опоре или подвесу. Для покоящегося тела $P = m g$ .

$m = 12 кг$ : $F_{т} = 12 \cdot 9, 8 = 117, 6 Н$ .
Тело $m = 62 кг$ лежит на полу: $P = 62 \cdot 9, 8 = 607, 6 Н$ .

Масса и вес — разные величины: масса в кг, вес — сила, в Н. В невесомости вес равен нулю, а масса остаётся прежней.

Сила упругости. Закон Гука

Сила упругости возникает при деформации тела и стремится вернуть ему прежнюю форму.

F_{упр} = k x

закон Гука

где $k$ — жёсткость пружины, Н/м; $x$ — удлинение (растяжение или сжатие), м.

$k = 160 Н / м$ , $x = 19 см$ .

Переводим: $19 см = 0, 19 м$ .
$F_{упр} = 160 \cdot 0, 19 = 30, 4 Н$ .

Удлинение — в метрах! С $x = 19$ получится $3040 Н$ — в 100 раз больше правильного.

Сила трения

Сила трения возникает при движении (или попытке движения) одного тела по поверхности другого и направлена против движения.

F_{тр} = μ N

трение скольжения

где $μ$ («мю») — коэффициент трения (без единиц, зависит от материалов и обработки поверхностей); $N$ — сила реакции опоры, Н (на горизонтальной опоре $N = m g$ ).

$N = 92 Н$ , $μ = 0, 55$ : $F_{тр} = 0, 55 \cdot 92 = 50, 6 Н$ .

Трение уменьшают смазкой и подшипниками (трение качения меньше трения скольжения), увеличивают — песком на льду, протектором шин.

Равнодействующая сил

Равнодействующая $R$ — одна сила, которая действует так же, как несколько сил вместе.

В одну сторону

R = F_{1} + F_{2}

, направлена туда же.

В противоположные

R = ∣ F_{1} - F_{2} ∣

, направлена в сторону большей силы.

$F_{1} = 13 Н$ и $F_{2} = 75 Н$ навстречу друг другу: $R = 75 - 13 = 62 Н$ в сторону $F_{2}$ . Если $R = 0$ , тело покоится или движется равномерно.

Перетягивание каната: команды тянут в разные стороны — побеждает та, чья сила больше, а «итог» равен разности.

Сила, инерция, тяготение

Причина изменения скорости — действие другого тела, то есть сила (мера взаимодействия тел); при взаимодействии оба тела действуют друг на друга. Сила — векторная величина; результат её действия зависит от модуля, направления и точки приложения (та же сила ближе к петлям открывает дверь труднее). Единица названа в честь Исаака Ньютона; силу измеряют динамометром (удлинение пружины пропорционально силе).
Инерция — сохранение скорости при отсутствии действия других тел: при резком торможении автобуса пассажиры наклоняются вперёд, при трогании — назад; ремни безопасности не дают продолжить движение; снег слетает с резко остановленной лопаты; бегун не может остановиться сразу; гружёный прицеп увеличивает тормозной путь (больше масса — больше инертность). Если на тело действует нескомпенсированная сила, его скорость изменяется.
Всемирное тяготение — все тела притягиваются; сила зависит от масс и расстояния (притяжение двух яблок ничтожно). Тяготение удерживает Луну на орбите; притяжение Луны (и Солнца) вызывает приливы. Мяч, брошенный вверх, и камень, брошенный горизонтально, падают из-за силы тяжести.
$g = 9, 8$ Н/кг означает: на тело массой 1 кг действует сила тяжести 9,8 Н; сила около 1 Н действует на тело массой около 100 г; на Луне сила тяжести примерно в 6 раз меньше.
Сила тяжести приложена к самому телу, вес — к опоре или подвесу; у тела, лежащего на столе, вес равен силе тяжести (2 кг — около 20 Н при $g \approx 10$ Н/кг); динамометр с подвешенным грузом показывает вес. Невесомость — вес равен нулю, когда тело свободно падает вместе с опорой; сила тяжести на космонавта на орбите действует. На книгу на столе действуют сила тяжести и сила упругости стола.

Деформации и трение: примеры

Деформация — изменение формы или размеров тела: сжатие (ножка табурета), растяжение (трос крана, верёвка с грузом — в ней сила упругости), изгиб (доска мостика), кручение (ключ в замке). Упругая деформация исчезает после снятия силы, пластическая сохраняется (смятый пластилин). Сила упругости направлена противоположно смещению частиц; у нити есть предел — при сильном натяжении она рвётся.
Жёсткость — коэффициент пропорциональности между силой упругости и удлинением (Н/м); жёстче та пружина, что меньше растягивается под той же силой; силу увеличили в 2 раза — удлинение в 2 раза.
Трение вызвано шероховатостью поверхностей и взаимодействием их частиц; сила трения скольжения зависит от силы прижатия и рода поверхностей (груз на брусок — трение больше). Виды: трение покоя (не даёт сдвинуть шкаф), скольжения (сани по снегу), качения (колесо; оно значительно меньше — грузы двигают на катках, в машинах ставят подшипники).
Трение полезно: при ходьбе, узлы на верёвке и гвозди в доске держатся трением; его увеличивают песком на тротуарах, протектором шин, магнезией на ладонях гимнастов. Вредно: износ деталей; его уменьшают смазкой, мазью для лыж, подшипниками. На льду трудно затормозить — трение мало.
Сопротивление среды: капли дождя не разгоняются бесконечно — сила сопротивления воздуха растёт и уравновешивает силу тяжести; обтекаемая форма (самолёты, автомобили, рыбы) уменьшает сопротивление.
Равнодействующая: 4 Н и 6 Н в одну сторону — 10 Н; 5 Н и 3 Н в противоположные — 2 Н в сторону большей; две равные противоположные силы — нуль; при нулевой равнодействующей тело покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Посмотреть и посчитать

Модели

Сила трения Толкаем брусок: сила, трение и движение Вес тела: лифт, невесомость, перегрузка Закон Гука и жёсткость пружины

Серия: 0