Когда тела взаимодействуют друг с другом, то их скорость может меняться. Тело может начать движение, остановиться, изменить направление своего движения. При этом мы часто даже не упоминаем, какое из тел оказало воздействие на данное тело. Мы просто говорим, что скорость тела изменилась под воздействием силы.
Сила – это физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое.
Существует четыре признака того, что на тело действует сила.
1. У тела может измениться значение скорости.
2. У тела может измениться направление движения.
3. Может измениться размер тела.
4. Может измениться форма тела.
Обратите внимание, что скорость может меняться не у всего тела, а только у некоторых его частей. Но это означает, что изменяется расстояние между отдельными частями тела, то есть изменяется его размер и форма. Такой процесс называется деформацией тела.
Деформация – это изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением друг относительно друга .
Кроме того, скорость – векторная величина. Поэтому как изменение величины скорости, так и изменение ее направления означает изменение вектора скорости. Поэтому все четыре перечисленные выше признака действия силы можно свести к одному.
Под действием силы происходит изменение скорости всего тела или его частей.
Рассмотрим, как движется тело, брошенное горизонтально. Обратим внимание на то, что траектория движения шарика – не прямая линия, а величина скорости шарика не остается постоянной. Это означает, что на шарик действует сила. Что это за сила?
Рис. 2. Движение горизонтально брошенного шарика – это движение с изменяющейся по величине и направлению скоростью
Все тела, находящиеся на поверхности Земли и вблизи нее, притягиваются к Земле. Человек, подпрыгнувший над поверхностью Земли, предмет, поднятый над поверхностью Земли, самолет, летящий над Землей, искусственный спутник, движущийся по орбите вокруг Земли, и даже Луна, – все эти тела притягиваются к Земле. Силу этого притяжения называют силой тяжести.
Силой тяжести называется сила, с которой все тела притягиваются к Земле.
Различные тела притягиваются к Земле с различной силой. Чем больше масса тела, тем большая сила тяжести действует на него.
Сила может быть больше и меньше. Следовательно, сила – это физическая величина. Кроме того, у силы есть направление. Например, сила тяжести направлена вертикально вниз (к центру Земного шара).
Рис. 3. «Вниз» – это направление к центру Земли
Следовательно, сила – векторная величина. Она обозначается символом (от английского слова «force», что означает «сила»). Единицей измерения силы в системе СИ является ньютон (Н). Подробнее о единицах измерения силы и о приборе для ее измерения пойдет речь на следующих уроках.
Земля не только притягивает к себе все тела, но и все тела притягивают к себе Землю.
Дважды в сутки на морях и океанах поднимаются волны. Они называются приливными волнами. Причина их возникновения – притяжение Земли и ее водной оболочки Луной.
Рис. 4. Приливы объясняются взаимодействием Луны и водной оболочки Земли
Итак, все тела взаимодействуют друг с другом. Сила, которая является мерой этого взаимодействия, называется силой всемирного тяготения.
Английский физик Исаак Ньютон утверждал, что все тела во Вселенной притягиваются друг к другу. Он установил также, что чем больше масса взаимодействующих тел, тем больше сила, с которой они взаимодействуют. Ньютон также установил, что, чем больше расстояние между телами, тем сила их взаимодействия меньше.
Таким образом, сила тяжести – частный случай силы всемирного тяготения.
Итак, взаимодействие тел описывается с помощью векторной физической величины, которая называется силой. Сила является причиной изменения скорости всего тела или его частей (во втором случае тело деформируется). На все тела, находящиеся на поверхности Земли или вблизи нее действует одна из разновидностей силы – сила тяжести. Сила тяжести – одно из проявлений силы всемирного тяготения, свойства которой открыл Исаак Ньютон.
Список литературы
1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7 – 9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.
3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.
1. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().
2. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().
Домашнее задание
Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов № № 285–294
Семнадцатый век недаром называют веком великих астрономических открытий. Многолетние наблюдения Галилея, Коперника, Тихо Браге дали возможность сформировать Иоганну Кеплеру законы движения небесных тел. Для того чтобы объяснить, почему планеты находятся в бесконечном движении, что заставляет их оставаться на своей орбите и что такое сила тяжести, понадобился гений - Исаак Ньютон.
Гипотезы гения
Свои законы о движении Исаак Ньютон сформулировал не для теории, а для практического применения. Обобщая данные многолетних астрономических наблюдений и благодаря своим законам о движении, этот великий ученый смог ответить на вопрос, который ставил в тупик не одно поколение ученых: «Что удерживает планеты на своих орбитах?» Ведь до Ньютона учеными выдвигались разные предположения - от хрустальных сфер до магнитных флюидов. Благодаря первому закону Ньютона стало ясно, что для равномерного прямолинейного движения сила не нужна. Сила необходима для того, чтобы заставить планеты двигаться по криволинейной орбите. Если применить формулу силы из второго закона Ньютона, то она будет равна произведению ускорения на массу. Ньютон пришел к выводу, что ускорение должно быть равным v
2 /R. Так более легкое небесное тело, Луна например, будет вращаться вокруг более тяжелого, но никогда не станет к нему приближаться. Это можно представить себе как падение с касательной к окружности на саму окружность. В точке соприкосновения скорость может быть постоянной или равной нулю, но ускорение присутствует всегда. Постоянное движение по заданной орбите без отсутствия видимого ускорения - вот ответ Ньютона на вопрос о движении планет.
Притяжение
Так, Луна движется вокруг Земли, а Земля - вокруг Солнца, повинуясь некой силе. Гениальность Ньютона проявилась в том, что он объединил силу притяжения небесных тел с силой тяжести, которая известна каждому жителю Земли. Существует легенда, что к правильным выводам Ньютона подтолкнуло обычное яблоко, упавшее ему на голову. Притяжение яблока и Луны к Земле описывается по абсолютно одинаковым законам - сделал вывод исследователь. Свое второе название сила тяжести получила от слова «гравис», что означает «вес».
Гравитация
Обобщив законы движения планет, Ньютон выяснил, что сила их взаимодействия может быть вычислена по формуле:
Где m 1 m 2 - массы взаимодействующих тел, R - расстояние между ними, а G - некий коэффициент пропорциональности, получивший название гравитационной постоянной. Слово «гравитация» подобрано абсолютно правильно, ведь происходит оно от слова «вес». Точное число постоянной Ньютону известно не было, гораздо позже значение G установил Кавендиш. Можно видеть, что на действие силы притяжения влияют массы тел и учитывается расстояние между ними. Никакие другие факторы на силу притяжения влиять не могут.
Значение закона притяжения
Данный закон универсален и может применяться к любым двум телам, имеющим массу. В случае, когда масса одного взаимодействующего тела много больше массы другого, можно говорить о частном случае гравитационной силы, для которого имеется специальный термин "сила тяжести". Это понятие применяется для задач, вычисляющих силу притяжения на Земле или других небесных телах. Если подставить значение силы тяжести в формулу второго закона Ньютона, то получим значение F=ma. Здесь а - ускорение силы тяжести, которое заставляет тела стремиться друг к другу. В задачах, связанных с использованием ускорения свободного падения, его обычно обозначают буквой g. С помощью разработанного им интегрального исчисления Ньютон математически доказал, что сила тяжести в шаре всегда сосредоточена в центре большего тела. В паре яблоко-Земля вектор ускорения направлен к центру земли, в паре Земля-Солнце направлен к Солнцу и так далее.
Зависимости силы тяжести от широты
Сила тяжести на Земле зависит от высоты тела под поверхностью планеты и от широты, на которой проводится эксперимент. Высота тела влияет на значение R, как видно, чем дальше расстояние от поверхности Земли, тем величина g меньше. Связь силы тяжести с широтой объясняется тем, что Земля имеет форму не шара, а геоида. У полюсов она немного сплюснута. Поэтому расстояние от центра Земли до экватора и до полюса будет разным - до 10 %. Такое расхождение делает весьма неудобным расчеты, например расчеты грузов трансконтинентальных перевозок. Поэтому за основу принимают показатель силы притяжения на средних широтах 9,81 м/с 2 .
Вес тела
В быту широко применяется такое понятие, как вес тела. В физике он обозначается буквой P. Вес - это сила, с которой тело давит на опору. В бытовом понятии вес часто подменяется понятием «масса», хотя это совершенно разные величины. В зависимости от того, какое значение принимает сила тяжести, изменяется и вес тела. Например, вес свинцовой детали на Земле и Луне будет отличаться. А вот масса остается неизменной и на Земле, и на Луне. Кроме этого, в определенных случаях вес тела может быть нулевым. Вес - величина, имеющая направление, а масса - скаляр.
Но так как согласно третьему закону Ньютона действие равно противодействию, вес тела равен силе реакции опоры.
Так как силу реакции простой опоры измерить довольно трудно, то опыт можно «перевернуть», подвесив какое-либо тело на пружину и измеряя степень растяжения этой пружины. При этом сила, растягивающая пружину с грузом, будет иметь вполне логичное F=mg, где m - масса, а g - ускорение свободного падения.
Перегрузка
Если груз с пружинкой поднять вверх, то ускорение силы тяжести и ускорение подъема будут направлены в противоположные стороны. Представить это можно так: F = m(g+a). Сила тяжести, а соответственно, и его вес, возрастают.
Для увеличения веса, связанного с дополнительным ускорением, существует специальный термин - перегрузка. Действие перегрузки испытывал каждый из нас, поднимаясь на лифте или взлетая на самолете. Особенно сильную перегрузку испытывают на себе космонавты и летчики сверхзвуковых самолетов при взлете своих летательных аппаратов.
Невесомость
Когда телу придается ускорение в направлении силы тяжести, то есть вниз в нашем случае, тогда F=m(g-a). Так, вес тела становится меньше. В предельном случае, когда a=g и направлены они в разные стороны, можно говорить о нулевом весе, то есть тело падает с постоянной скоростью. Состояние, при котором вес тела является нулевым, называют невесомостью. Человек испытывает состояние невесомости в космическом корабле, когда он движется с выключенными двигателями. Невесомость - обычное состояние для космонавтов и летчиков, летающих на сверхзвуковых самолетах.
Значение силы тяжести
Без силы тяжести не происходило бы многих, кажущихся нам естественными, вещей - не сходили бы лавины с гор, не шли бы дожди, не текли бы реки. Атмосфера Земли сохраняется благодаря силе тяжести. Для сравнения, планеты с меньшей массой, такие как Луна или Меркурий, растеряли свою атмосферу очень быстро и остались беззащитными перед потоком жесткого космического излучения. Атмосфера Земли играла решающую роль при возникновении жизни на Земле, ее видоизменении и сохранении.
Кроме силы тяжести, на Земле действует сила притяжения Луны. Благодаря ее близкому (в космических масштабах) соседству на Земле существуют приливы и отливы, сдвигаются континенты, а многие биологические ритмы совпадают с лунным календарем.
Таким образом, силу тяжести нужно рассматривать не как досадную помеху, а как полезный и необходимый закон природы.
Одним из четырёх фундаментальных взаимодействий, известных современной физике, является гравитационное взаимодействие. Оно заключается в том, что любые два тела, которые имеют массу, притягиваются друг с другом, с силой, которая прямо пропорциональна произведению этих собственных масс, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Латинское слово gravitas переводится как «тяжесть». Сила тяжести является суммой силы гравитационного притяжения и центробежной силы инерции, действующих на тело.
Действие сил тяжести
Давайте узнаем, каким образом и на что действует сила тяжести? Гравитационное воздействие массы Земли, на тела находящиеся на её поверхности или на небольшом расстоянии от неё, называется «силой тяжести». Сила тяжести действует на атомы тел, находящихся в окрестностях земли, а также на электромагнитное излучение. Влияние гравитации на свет и другие виды этого излучения описывает общая теория относительности.
При вычислении точного значения силы тяжести, а также для ответа на вопрос насчет того, чему равна сила тяжести, учитывают расстояние объекта до центра массы Земли, а также центробежную силу, которая действует на тело вследствие вращения земли (сила Кориолиса). Такие тонкие расчёты проводят, в первую очередь, при подготовке космических проектов, а также при выполнении прецизионных научных экспериментов.
Для приблизительной оценки, которой хватает, в большинстве случаев, чтобы ответить на вопрос, касающийся того, как найти силу тяжести, находится при помощи простой формулы: тяж =m*. g, где тяж – вектор силы тяжести, m – масса тела, – ускорение свободного падения. Модуль этого ускорения обычно принимают равным 9,8 м/с 2 .
Масса и вес
При использовании таких терминов, как сила тяжести, вес и масса люди часто допускают ряд неточностей. Так, силу тяжести иногда путают с весом, а вес – с массой. Внесём ясность в эти вопросы.
Источник силы тяжести – Земля, которая действует на тело, находящееся на её поверхности. Вес – сила, с которой тело действует на опору. Если тело покоится на земле, то вес – сила, с которой оно действует на землю. В этом случае (когда, тело находится в состоянии покоя) согласно третьему закону Ньютона модуль веса равен модулю силы тяжести.
В рамках физики масса является мерой способности тела к гравитационному взаимодействию (а также мерой инерции тела, но к данной теме это отношения не имеет). И, если сила тяжести и вес измеряются в единицах силы – Ньютонах, то масса измеряется в килограммах.
Весы измеряют вес предмета. Соответственно, определить, чему равна сила тяжести, действующая на тело, можно положив тело на весы и оставив его в состоянии покоя. При этом шкала весов проградуирована таким образом, что она показывает массу тела с учётом того, что оно покоится.
Если, стоя на весах, начать раскачиваться на носках, вы увидите, что показания весов меняются. Это происходит потому, что меняется ваш вес. При этом и ваша масса, и сила тяжести, действующая на вас, остаются неизменными.
Более наглядный пример изменения веса – перегрузки, которые испытывают космонавты и лётчики, когда их летательный аппарат движется с ускорением относительно Земли. При этом, опять же, ни масса, ни вес пилотов не меняются.