какие силы действуют на тело при движении
Какие силы действуют на тело при движении
Каждый день нам приходится сталкиваться с действиями одних тел на другие. Для понимания процессов, происходящих в окружающем нас мире, физики приложили немало усилий, чтобы понять, что происходит с одним телом при воздействии на него другого. И ученые смогли доказать, что любое движение происходит под действием различных сил.
Что такое сила?
Сила — это воздействие одного тела на другое. Воздействие может быть разным: в результате приложения силы тело способно приводиться в движение, менять скорость или направление движения, останавливаться и т.п. Например, толкая в магазине тележку для продуктов, ты приводишь ее в движение. При этом скорость тележки и направление ее движения меняются в зависимости от той силы, с которой ты действуешь на тележку. А твой папа может толкать такую тележку с гораздо большей скоростью, так как он сильнее тебя.
Под воздействием силы можно не только изменить скорость тела или его форму, но и направление его движения. Например, во время игры в теннис, бадминтон, бильярд при помощи ракетки или кия можно изменить направление движения шара. Шар или мяч может полететь в другом направлении не только после воздействия на него человека (при помощи ракетки, например), но и ударившись о любой предмет во время полета: стенку, забор, штангу и т.д. Приложение силы способно привести к изменению не только скорости, но и размеров или формы тела. Говоря другими словами, в результате приложения силы тело может деформироваться.
Пример: на рисунке ниже видно растяжение (удлинение) пружины после того, как на нее подвесили груз. Причем чем тяжелее груз и, соответственно, большая сила прилагается, тем сильнее растягивается пружина.
Любая сила не может существовать сама по себе. Запомни: если речь идет о приложении силы, то это означает, что на тело действует другое тело. Как только действие сил прекращается, тело переходит в состояние покоя. Как правило, на тело одновременно действует не одна сила, а несколько.
Что такое сила тяжести?
Сила тяжести — это сила, с которой Земля притягивает к себе тело. Эта сила всегда направлена вертикально вниз. Запомни: чем больше масса тела, тем больше сила тяжести, действующая на это тело. Именно поэтому нам трудно поднять или сдвинуть с места очень тяжелые предметы. И чем тяжелее предмет, тем больше сила тяжести и тем сложнее нам преодолеть эту силу. Сила тяжести, действующая на тело, несколько отдаленное от поверхности Земли, зависит от массы тела и расстояния.
«Космические» факты
Каждый космонавт переживает так называемую космическую болезнь: при отсутствии силы тяготения он привыкает к тому, что все окружающие предметы, да и он сам, летают, а не падают. Поэтому по возвращении на Землю космонавты в течение некоторого времени обращаются с вещами так, как привыкли это делать в космосе: просто отпускают их, при этом совершенно не задумываясь над тем, что они сразу упадут на землю или на пол.
В условиях невесомости в организме космонавта увеличивается объем циркулирующей крови, что, в свою очередь, может привести к повышению давления. Однако сердце космонавта очень интересно приспосабливается к данной ситуации: во избежание дополнительной нагрузки оно уменьшается в объеме и, соответственно, начинает перекачивать меньшее количество крови. Это своеобразная защитная реакция на увеличение объема крови.
Что такое сила всемирного тяготения?
Притяжение существует не только между Землей и всеми телами, находящимися на ней, но и всеми телами между собой. Такое притяжение всех тел в нашей Вселенной называется всемирным тяготением.
Ты когда-нибудь видел, как магнит притягивает к себе различные предметы? Так вот, всемирное тяготение можно сравнить с магнитом: тела притягиваются не только к Земле, но и друг к другу.
На какие тела действует сила всемирного тяготения?
Эта сила действует абсолютно на все тела, которые имеют какой-либо, пусть даже самый незначительный вес. Именно благодаря такому притяжению мы не улетаем в открытый космос вместе с другими окружающими нас предметами, а остаемся на Земле.
Если бы сила притяжения отсутствовала, то любое подброшенное тело никогда бы не вернулось на Землю.
Согласно легенде, английский ученый Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения после того, как на его глазах с дерева оторвалось яблоко и упало на землю. Ньютон задумался над тем, почему оно упало вертикально вниз, перпендикулярно земле, а не в сторону. Позже гениальный ученый сумел доказать, что все тела притягиваются друг к другу.
Ускорение и сила всемирного тяготения
Ускорение и масса тела
Ускорение не зависит от массы падающего тела. Например, два тела, падающие с одинаковой высоты, достигнут земли одновременно, при этом не важно, что падает — яблоко или машина. Конечно, если ты бросишь листик бумаги и камешек, то камешек окажется на земле раньше, но только лишь потому, что листику мешает падать сопротивление воздуха. Но если предположить, что листик бумаги и камешек будут падать вниз внутри высокого стеклянного цилиндра, из которого откачан воздух, то оба предмета достигнут дна одновременно.
Вес тела
Да, не удивляйся, вес тела — это тоже сила, с которой тело давит на опору или какой-либо подвес (если тело висит).
Ты уже знаешь, что все тела притягиваются к Земле, и эта сила называется силой тяжести. Посмотри внимательно на картинку. В данном случае лавочка не позволяет мальчику и коту упасть, и именно лавочка испытывает действие силы, возникающей из-за притяжения Земли.
Какие есть сходства и различия между весом тела и силой тяжести?
Обе силы — и вес тела, и сила тяжести — возникают благодаря притяжению Земли.
Разница между весом тела и силой тяжести заключается в том, что вес действует на опору, которая находится под телом, а сила тяжести — на само тело.
Каким бы странным это ни показалось, но вес тела может быть равен нулю! Один из случаев, когда вес тела равен 0, — состояние невесомости. Например, в космическом корабле ни космонавт, ни тела, находящиеся на борту корабля, не оказывают никакого действия на опору. Они просто летают в пространстве.
Сила упругости
Сила упругости — это сила, которая возникает в теле в результате его деформации и стремится вернуть тело в исходное положение.
Самый простой и доступный пример проявления силы упругости — это деформация обычной пружины!
Возьми пружину, сожми ее, а затем убери пальцы. После того как ты отпустил ее, пружина стремится принять первоначальную форму. Так при деформации пружины возникла сила упругости, и ты можешь наблюдать ее проявление.
Давай рассмотрим интересный пример проявления силы упругости во время прыжка на тарзанке.
Какая сила растягивает канат во время прыжка?
Как только человек совершает прыжок, он начинает падать под действием силы тяжести. Под весом прыгуна канат растягивается, а затем стремится возвратиться в свое первоначальное положение, т.е. прыгун двигается вверх и вниз.
Сила трения
Тебе приходилось видеть, как кто-то нечаянно соскользнул со стула и упал на пол? Ты рассмеялся? А вот представь, что мы постоянно падаем со стульев и кроватей, а предметы не могут удержаться на месте и выскальзывают из рук. На самом деле не так и смешно, правда?
К счастью, благодаря силе трения этого не происходит. Если бы трение отсутствовало, то все предметы не могли бы держаться на поверхностях, а постоянно скатывались вниз, на землю.
Трение — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого.
Одной из причин, вызывающих трение, является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Причем чем больше шероховатостей и неровностей, тем больше сила трения.
Различают несколько видов трения, из них основные: трение скольжения, качения и покоя.
Трение скольжения
В данном случае одно тело скользит по поверхности другого. Например: катание с горы на санках или лыжах, катание на коньках по льду.
Трение качения
Этот вид трения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого. Это может быть любое колесо или тело в форме шара.
Трение покоя
В состоянии трения покоя тело может сдвинуться с места, но ему что-то мешает, и мешает ему именно сила трения. Например, в комнате стоит диван, и сдвинуть его с места можно только в случае приложения другой силы, которая будет больше силы трения покоя.
К чему приводит уменьшение силы трения?
Снижением силы трения и плохим контактом шин с асфальтом объясняется повышение количества аварий на мокрой дороге.
На мокром полу мы можем легко упасть.
Это происходит потому, что жидкость создает барьер между полом и подошвой обуви, при котором сцепление подошвы с полом значительно уменьшается, и, соответственно, уменьшается сила трения.
Законы Ньютона. Динамика.
теория по физике 🧲 динамика
Три закона Ньютона
Динамика — раздел механики, изучающий причины движения тел и способы определения их ускорения. В нем движение тел описывается с учетом их взаимодействия.
Большой вклад в развитие динамики внес английский ученый Исаак Ньютон. Он первым смог выделить законы движения, которым подчиняются все макроскопические тела. Эти законы называют законами Ньютона, законами механики, законами динамики или законами движения тел.
Внимание! Законы Ньютона нельзя применять к произвольным телам. Они применимы только к точке, обладающей массой — к материальной точке.
Основное утверждение механики
Для описания движения тела можно взять любую систему отсчета. Обычно для этого используется система отсчета, связанная с Землей. Если какое-то тело меняет свою скорость, рядом с ним всегда можно обнаружить другое тело, которое на него действует. Так, если поднять камень и отпустить, он не останется висеть в воздухе, а упадет вниз. Следовательно, на него что-то подействовало. В данном случае сама Земля притянула камень к себе. Отсюда следует основное утверждение механики:
Основное утверждение механики
Изменение скорости (ускорение) тела всегда вызывается воздействием на него других тел.
Согласно утверждению, если на тело не действуют никакие силы, его ускорение будет нулевым, и оно будет либо покоиться, либо двигаться равномерно и прямолинейно (с постоянной скоростью).
Но в нашем мире мы не всегда это наблюдаем. И этому есть объяснение. Если тело покоится, оно действительно не меняет свою скорость. Так, мяч лежит на траве до тех пор, пока его не пнут. После того, как его пнут, он начинает катиться, но затем останавливается. Пока мяч катится, к нему больше не прикасаются. Казалось бы, согласно основному утверждению механики, мяч должен катиться вечно. Но этого не происходит, потому что на мяч действует сила трения, возникающая между его поверхностью и травой.
Основное утверждение механики можно проиллюстрировать в открытом космосе в месте, где сила притяжения космических тел пренебрежимо мала. Если в космосе придать телу скорость и отпустить, оно будет двигаться с такой скоростью по прямой линии до тех пор, пока на него не подействуют другие силы. Ярким примером служат межгалактические звезды, или звезды-изгои. Гравитационно они не связаны ни с одной из галактик, а потому движутся с постоянной скоростью. Так, звезда HE 0437-5439 удаляется от нашей галактики с постоянной скоростью 723 км/с.
Свободное тело — тело, на которое не действуют другие тела. Свободное тело либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно.
Первый закон Ньютона
Исаак Ньютон, изучая движение тел, заметил, что относительно одних систем отсчета свободные тела сохраняют свою скорость, а относительно других — нет. Он разделил их на две большие группы: инерциальные системы отсчета и неинерциальные. В этом кроется первый закон динамики.
Первый закон Ньютона
Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тела движутся равномерно и прямолинейно или находятся в состоянии покоя, если на них не действуют другие тела или их действие компенсировано.
Примером инерциальной системы отсчета служит система отсчета, связанная с Землей (геоцентрическая). Другой пример — гелиоцентрическая система отсчета (связанная с Солнцем).
Неинерциальная система отсчета — система отсчета, в которой тела могут менять свою скорость при отсутствии на них действия других тел.
Примером неинерциальной системы отсчета служит автобус. Когда он движется равномерно и прямолинейно, стоящие внутри пассажиры находятся относительно него в состоянии покоя. Но когда автобус останавливается, пассажиры падают вперед, т. е. меняют свою скорость, хотя на них не действуют другие тела.
Второй закон Ньютона
В примере с автобусом видно, что пассажиры стараются сохранить свою скорость относительно Земли — инерциальной системы отсчета. Такое явление называется инерцией.
Инерция — явление, при котором тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Инертность — физическое свойство, заключающееся в том, что любое тело оказывает сопротивление изменению его скорости (как по модулю, так и по направлению).
Не все тела одинаково инертны. Вы можете взять мячик и придать ему большое ускорение. Но вы не можете придать такое же ускорение гире, хотя она обладает похожим размером. Но мячик и гиря различаются между собой массой.
Масса — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела. Чем больше масса, тем больше инертность тела.
Масса обозначается буквой m. Единица измерения массы — кг. Прибор для измерения массы — весы.
Чтобы придать одинаковую скорость двум телам с разной инертностью, к телу с большей инертностью придется приложить больше силы. Попробуйте сдвинуть с места стол, а затем — шкаф. Сдвинуть с места стол будет проще.
Если же приложить две одинаковые силы к телам с разной инертностью, будет видно, что тело с меньшей инертностью получает большее ускорение. Если приставить к пружине теннисный шарик, а затем сжать ее и резко отпустить, шарик улетит далеко. Если вместо теннисного шарика взять железный, он лишь откатится на некоторое расстояние.
Описанные выше примеры показывают, что между силой, прикладываемой к телу, и ускорением, которое оно получает в результате прикладывания этой силы, и массой этого тела есть взаимосвязь. Она раскрывается во втором законе Ньютона.
Второй закон Ньютона
Сила, действующая на тело, равна произведению массы этого тела на ускорение, которое сообщает эта сила.
где F — сила, которую прикладывают к телу, a — ускорение, которое сообщает эта сила, m — масса тела
Сила — количественная мера действия тел друг на друга, в результате которого тела получают ускорения.
Сначала переведем массу яблока в кг. 200 г = 0,2 кг. Теперь найдем силу, действующую на яблоко со стороны Земли, по второму закону Ньютона:
F = ma = 0,2 ∙ 9,8 = 1,96 (Н)
Равнодействующая сила
Иногда на тело действуют несколько сил. Тогда при описании его движения вводится понятие равнодействующей силы.
Равнодействующая сила — векторная сумма всех сил, действующих на тело одновременно.
В этом случае второй закон Ньютона формулируется так:
Второй закон Ньютона через равнодействующие силы
Если на тело действует несколько сил, но их равнодействующая R будет равна произведению массы на ускорение этого тела.
Правила сложения сил и их проекций
Сложение двух сил, направленных вдоль одной прямой в одну сторону
Равнодействующая сила сонаправлена с обеими силами.
Сложение двух сил, направленных вдоль одной прямой во взаимно противоположных направлениях
Равнодействующая сила направлена в сторону направления большей по модулю силы.
Сложение двух сил, перпендикулярных друг к другу
Сложение двух сил, расположенных под углом α друг к другу
Сложение трех сил
Сложение проекций сил
Проекция на ось OY:
Третий закон Ньютона
Когда одно тело действует на другое, начинается взаимодействие этих тел. Это значит, если тело А действует на тело В и сообщает ему ускорение, то и тело В действует на тело А, тоже придавая ему ускорение. К примеру, если сжать пружину руками, то руки будут чувствовать сопротивление, оказываемое силой упругости пружины. Если же, находясь в лодке, начать тянуть за веревку вторую лодку, то обе лодки будут двигаться навстречу друг другу. То есть, вы, находясь в своей лодке, тоже будете двигаться навстречу второй лодке.
Иногда на тело действует сразу несколько сил, но тело продолжает покоиться. В этом случае говорят, что силы друг друга компенсируют, то есть их равнодействующая равна нулю.
Две силы независимо от их природы считаются равными по модулю и противоположно направленными, если их одновременное действие на тело не меняет его скорости.
Примером такого явления служит ситуация, когда при перетягивании каната его никто не может перетянуть в свою сторону. Если взять два каната и присоединить между ними два динамометра, а затем начать игру в перетягивание, выяснится, что показания динамометра всегда будут одинаковыми. Это значит, что независимо от масс и придаваемых ускорений два взаимодействующих тела оказывают друг на друга равные по модулю силы. В этом заключается смысл третьего закона Ньютона.
Силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулям и направлены по одной прямой в противоположные стороны.
Используя второй закон Ньютона, третий закон механики можно переписать иначе:
Отношение модулей ускорений a 1 и a 2 взаимодействующих друг с другом тел определяется обратным отношением их масс и совершенно не зависит от характера действующих между ними сил.
Согласно третьему закону Ньютона модули сил, с которыми взаимодействуют Земли и яблоко, равны. Поэтому:
Пусть тело 1 будет яблоко, а тело 2 — Земля. Тогда a1 будет равно g. Отсюда ускорение, с которым движется Земля к падающему на нее яблоку, равна:
Скорость тела массой 5 кг, движущегося вдоль оси Ох в инерциальной системе отсчёта, изменяется со временем в соответствии с графиком (см. рисунок). Равнодействующая приложенных к телу сил в момент времени t=2,5 с равна…
Действия силы в физике
Здесь изложена попытка посмотреть на известные физические законы движения тел и действия сил несколько по новому.
Автор не настаивает на прочтении этой статьи, но настаивает на соблюдении Закона об авторских правах.
1. С И Л А
Сила это фактор воздействия на тело. Всякое тело, которое движется, когда-то испытало действие силы.
11. Сила не может возникнуть ниоткуда, сама по себе. Нужен источник силы.
Источником силы может быть:
— внешнее воздействие
— само тело
1.2. Основные внешние источники возникновения силы:
— движение внешнего тела при столкновении, в том числе действие ветра и воды.
— мускульная сила человека и животных
— сила гравитации или электромагнитных полей
— расширение тел и газов при нагревании, сгорании и взрыве.
— изменение объемов при переходе из одного агрегатного состояния в другое.
— выталкивающие силы (Архимеда)
— разница давлений в средах и пр.
— энергия скрытая в материи.
1.3. Само тело содержит силу инерции и реактивную силу.
1.4. Силой могут так же называться факторы, оказывающие сопротивление или противодействие:
трение, упругость тела, сопротивление среды и инерция.
2. Признаки действия силы:
2.1. Движение тела с изменением скорости и направления.
2.2. Деформация или нагрев тела.
2.3. Движение без изменения направления и скорости, но с преодолением другой силы или сопротивления среды.
4.2. Двухмерное пространство действия силы второго порядка это баллистическое, круговое движение, подъемная сила крыла и пропеллера.
Сила, которая изменяет направление движения, действует только перпендикулярно первой – образующей движение.
Например. Тело движется в космическом пространстве, оно попадает в поле гравитации планеты, изменяет траекторию и в определенный момент,
когда направление инерции движения станет перпендикулярно силе гравитации, система станет устойчивой, а тело – спутником планеты.
При этом линейная сила, и действующая к ней под прямым углом (отклоняющая ) сила второго порядка не оказывают никакого влияния друг на друга и действуют независимо.
4.3. Действие силы третьего порядка это, например, действие бокового ветра при баллистическом движении, действует по отношению к другим также как вторая к первой.
Комментарии автора. Приведенная модель является не описанием известного способа определения результирующей силы путём геометрического сложения действующих сил, а выявленным свойством природы действия сил, которое состоит в том, что силы действуют или по одной прямой или перпендикулярно друг другу.
4.4. При действии сил перпендикулярно друг другу ( например вращательное движение) их взаимное силовое влияние друг на друга не происходит. Взаимное влияние: увеличение от сложения или уменьшение от противодействия происходит при угле действия меньше или больше 90 градусов.
5. Сила гравитации. Закон тяготения.
5.1. Сила гравитации это сила взаимного притяжения, возникающая между двумя телами. При этом гравитация понимается, как сила. Тела, как точки опоры, необходимые для действия силы гравитации. (п.3.1)
Уточнение формулировки:
Не тела притягиваются друг другу силой, а сила притягивает два тела.
Масса здесь понимается как эквивалентное количество вещества, дающее количество точек опоры для действия силы.
6. Вектор силы при движении тела
6.1. Сила это условие (первопричина) для движения. Об этом говорил еще Аристотель в трактате «Физика».
6.2. Тело, если на него не не действуют силы, всегда стремится двигаться прямолинейно п.3.2.
Сила, как фактор внешнего воздействия, имеет вектор направления.
Сила, как инерция тела, тоже имеет вектор. Если два этих вектора совпадают по направлению, то тело тоже движется прямолинейно.
Если вектор инерции и вектор внешней силы действуют под углом, то тело движется криволинейно.
6.3. Сила, действующая на изменение направление движения при круговом движении вызывает инерционное силовое противодействие вращению, которое воспринимается как центробежная сила, но в природе своей есть проявленное стремление тела к прямолинейному движению.
6.3. Тело при воздействии на него нескольких сил, всегда движется в сторону действия результирующей силы.
7. Силы при соударении тел.
7.1. Тело при своем движении обладает энергией движения, которая выделяется в виде действующей силы при соударении с другим телом.
7.2. Сила соударения зависит от массы тел и их относительной скорости движения.
8. Изменение скорости при внешнем действии силы.
Итак. Сила, как мы уже говорили, выступает в двух состояниях : как внешнее воздействие (второй закон Ньютона) и как свойство самого тела (инерция)
И тогда будет только масса, которая находится в движении с определенной скоростью и вектором и внешняя сила, изменяющая вектор или относительную скорость.
А «сила инерции» понятие условное, равное массе.