Школьная энциклопедия. Силы в природе

Целью урока является расширение программного материала по теме: “Силы в природе ” и совершенствование практических навыков и умений по решению задач.

Задачи урока:

• закрепить изученный материал,
• сформировать у учащихся представления о силах вообще и о каждой силе в отдельности,
• грамотно применять формулы и правильно строить чертежи при решении задач.

Урок сопровождается мультимедиа презентацией .

Силой называется векторная величина, которая является причиной всякого движения как следствия взаимодействий тел. Взаимодействия бывают контактные, вызывающие деформации, и бесконтактные. Деформация это изменение формы тела или отдельных его частей в результате взаимодействия.

В Международной системе единиц (СИ) единица силы называется ньютон (Н). 1 Н равен силе, придающей эталонному телу массой 1 кг ускорение 1 м/с 2 в направлении действия силы. Прибор для измерения силы – динамометр.

Действие силы на тело зависит от:

1. Величины прилагаемой силы;
2. Точки приложения силы;
3. Направления действия силы.

По своей природе силы бывают гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия на полевом уровне. К гравитационным силам относятся сила тяжести, вес тела, сила тяготения. К электромагнитным силам относятся сила упругости и сила трения. К взаимодействиям на полевом уровне можно отнести такие силы как: сила Кулона, сила Ампера, сила Лоренца.

Рассмотрим предлагаемые силы.

Сила тяготения.

Сила тяготения определяется из закона Всемирного тяготения и возникает на основании гравитационных взаимодействий тел, так как любое тело, обладающее массой, имеет гравитационное поле. Два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположно направленными, прямо пропорциональными произведению масс и обратно пропорциональными квадрату расстояния между их центрами.

G = 6,67 . 10 -11 - гравитационная постоянная, определенная Кавендишем.

Одним из проявлений силы всемирного тяготения является сила тяжести, причем, ускорение свободного падения можно определить по формуле:

Где: М – масса Земли, R з – радиус Земли.

Задача: Определите силу, с которой притягиваются друг к другу два корабля массой по 10 7 кг каждый, находящиеся на расстоянии 500 м друг от друга.

1. От чего зависит сила тяготения?
2. Как запишется формула силы тяготения, действующей на высоте h от поверхности Земли?
3. Как была измерена гравитационная постоянная?

Сила тяжести.

Сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, называется силой тяжести. Обозначается - F тяж, приложена к центру тяжести, направлена по радиусу к центру Земли, определяется по формуле F тяж = mg.

Где: m – масса тела; g – ускорение свободного падения (g=9,8м/с 2).

Задача: сила тяжести на поверхности Земли составляет 10Н. Чему она будет равна на высоте, равной радиусу Земли (6 . 10 6 м)?

1. В каких единицах измеряется коэффициент g?
2. Известно, что земля не шар. Она приплюснута у полюсов. Одинакова ли будет сила тяжести одного и того же тела на полюсе и экваторе?
3. Как определить центр тяжести тела правильной и неправильной геометрической формы?

Вес тела.

Сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес, вследствие земного притяжения, называется весом. Обозначается - Р, приложена к опоре или подвесу под центром тяжести, направлена вниз.

Если тело покоится, то можно утверждать, что вес равен силе тяжести и определяется по формуле Р = mg.

Если тело движется с ускорением вверх, то тело испытывает перегрузку. Вес определяется по формуле Р = m(g + a).

Вес тела приблизительно в два раза превышает по модулю силу тяжести (двукратная перегрузка) .

Если тело движется с ускорением вниз, то тело может испытывать невесомость в первые секунды движения. Вес определяется по формуле Р = m(g - a).

Задача : лифт массой 80 кг движется:

Равномерно;

• поднимается с ускорением 4,9 м/с 2 вверх;
• спускается вниз с таким же ускорением.
• определить вес лифта во всех трех случаях.

1. Чем вес отличается от силы тяжести?
2. Как найти точку приложения веса?
3. Что такое перегрузка и невесомость?

Сила трения.

Сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, направленная в сторону противоположную движению называется силой трения.

Точка приложения силы трения под центром тяжести, в сторону противоположную движению вдоль соприкасающихся поверхностей. Сила трения делится на силу трения покоя, силу трения качения, силу трения скольжения. Сила трения покоя это сила, препятствующая возникновению движения одного тела по поверхности другого. При ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает человеку ускорение. При скольжении связи между атомами первоначально неподвижных тел, разрываются, трение уменьшается. Сила трения скольжения зависит от относительной скорости движения соприкасающихся тел. Трение качения во много раз меньше трения скольжения.

Сила трения определяется по формуле:

Где: µ - коэффициент трения безразмерная величина, зависит от характера обработки поверхности и от сочетания материалов соприкасающихся тел (силы притяжения отдельных атомов различных веществ существенно зависят от их электрических свойств);

N – сила реакции опоры - это сила упругости, возникающая в поверхности под действием веса тела.

Для горизонтальной поверхности: F тр = µmg

При движении твердого тела в жидкости или газе возникает сила вязкого трения. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя. Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела.

Задача: Собачья упряжка начинает тащить стоящие на снегу сани массой 100кг с постоянной силой 149Н. За какой промежуток времени сани проедут первые 200м пути, если коэффициент трения скольжения полозьев о снег 0,05?

1. При каком условии возникает трение?
2. От чего зависит сила трения скольжения?
3. Когда трение бывает “полезное”, а когда “вредное”?

Сила упругости.

При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Ее называют силой упругости.

Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия.

При малых деформациях (|x| << l) сила упругости пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации: F упр =kх

Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука: сила упругости прямо пропорциональна изменению длины тела.

Где: k - коэффициент жесткости тела, измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Коэффициент жесткости зависит от формы и размеров тела, а также от материала.

В физике закон Гука для деформации растяжения или сжатия принято записывать в другой форме:

Где: – относительная деформация; Е – модуль Юнга, который зависит только от свойств материала и не зависит от размеров и формы тела. Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, E2·10 11 Н/м 2 , а для резины E2·10 6 Н/м 2 ; – механическое напряжение.

При деформации изгиба F упр = - mg и F упр = - Kx.

Следовательно, можно найти коэффициент жесткости:

В технике часто применяются спиралеобразные пружины. При растяжении или сжатии пружин возникают упругие силы, которые также подчиняются закону Гука, возникают деформации кручения и изгиба.

Задача: Пружину детского пистолета сжали на 3 см. Определите возникшую в ней силу упругости, если жесткость пружины равна 700 Н/м.

1. От чего зависит жесткость тел?
2. Объяснить причину возникновения силы упругости?
3. От чего зависит величина силы упругости?

4. Равнодействующая сила.

Равнодействующей называется сила, заменяющая действия нескольких сил. Эта сила применяется при решении задач с использованием нескольких сил.

На тело действуют сила тяжести и сила реакции опоры. Равнодействующая сила, в данном случае, находится по правилу параллелограмма и определяется по формуле

На основании определения равнодействующей, можно интерпретировать второй закон Ньютона как: равнодействующая сила равна произведению ускорения тела на его массу.

Равнодействующая двух сил, действующих вдоль одной прямой в одну сторону, равна сумме модулей этих сил и направлена в сторону действия этих сил. Если силы действуют вдоль одной прямой, но в разные стороны, то равнодействующая сила равна разности модулей действующих сил и направлена в сторону действия большей силы.

Задача: наклонная плоскость, образующая угол 30 о, имеет длину 25м. тело, двигаясь равноускоренно, соскользнуло с этой плоскости за 2с. Определить коэффициент трения.

Сила Архимеда.

Сила Архимеда - это выталкивающая сила, возникающая в жидкости или газе и действующая противоположно силе тяжести.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости

Где: – плотность жидкости или газа; V – объем погруженной части тела; g – ускорение свободного падения.

Задача: Чугунный шар объемом 1дм 3 опустили в жидкость. Его вес уменьшился на 8,9Н. В какой жидкости находится шар?

1. Каковы условия плавания тел?
2. Зависит ли сила Архимеда от плотности тела, погруженного в жидкость?
3. Как направлена сила Архимеда?

Центробежная сила.

Центробежная сила возникает при движении по окружности и направлена по радиусу из центра.

Где: v –линейная скорость; r – радиус окружности.

Сила Кулона.

В механике Ньютона используется понятие гравитационной массы, подобно этому в электродинамике первичным является понятие электрического заряда.Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Заряды взаимодействуют с силой Кулона.

Где: q 1 и q 2 – взаимодействующие заряды, измеряющиеся в Кл (Кулонах);

r – расстояние между зарядами; k – коэффициент пропорциональности.

k=9 . 10 9 (Н . м 2)/Кл 2

Часто его записывают в виде: ,где – электрическая постоянная, равная 8,85 . 10 12 Кл 2 /(Н . м 2).

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: F 1 = - F 2 . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Задача: Сила взаимодействия двух одинаковых точечных зарядов, находящихся на расстоянии 0,5м, равна 3,6Н. Найти значения этих зарядов?

1. Почему при электризации трением заряжаются оба трущихся тела?
2. Остается ли неизменной масса тела при его электризации?
3. В чем заключается физический смысл коэффициента пропорциональности в законе Кулона?

Сила Ампера.

На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.

Где: I – сила тока в проводнике; В – магнитная индукция; l - длина проводника; – угол между направлением проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Направление этой силы можно определить по правилу левой руки.

Если левую руку следует расположить таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, вытянутые четыре пальца направлены вдоль действия силы тока, то отогнутый большой палец указывает направление силы Ампера.

Задача: определить направление тока в проводнике, находящемся в магнитном поле, если действующая на проводник сила имеет направление

1. При каких условиях возникает сила Ампера?
2. Как определить направление действия силы Ампера?
3. Как определить направление линий магнитной индукции?

Сила Лоренца.

Сила, с которой электромагнитное поле действует на любое, находящееся в нем заряженное тело, называется силой Лоренца.

Где: q – величина заряда; v – скорость движения заряженной частицы; В – магнитная индукция; – угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки.

Задача: в однородном магнитном поле, индукция которого равна 2Тл, движется электрон со скоростью 10 5 м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции. Вычислить силу, действующую на электрон.

1. Что называется силой Лоренца?
2. Каковы условия существования силы Лоренца?
3. Как определить направление действия силы Лоренца?

В заключение урока предоставляется возможность учащимся заполнить таблицу.

Название силы	Формула	Рисунок	Точка приложения	Направление действия
Сила тяготения
Сила тяжести
Вес
Сила трения
Сила упругости
Сила Архимеда
Равнодействующая сила
Центробежная сила
Сила Кулона
Сила Ампера
Сила Лоренца

Литература:

1. М.Ю.Демидова, И.И.Нурминский “ЕГЭ 2009”
2. И.В.Кривченко “Физика – 7”
3. В.А.Касьянов “Физика. Профильный уровень”

1. Силы в природе:

а) упругость;

б) трение;

в) сила тяжести;

2. Закон всемирного тяготения;

3. Невесомость

1. В окружающем нас мире бесчисленное количество тел, которые взаимодействуют друг с другом. Но, несмотря на многообразие сил, принято выделять несколько их видов.

Силой упругости называют силу, которая возникает в теле при изменении его формы или размеров. Это происходит, если тело сжимают, растягивают, изгибают или скручивают. Например, сила упругости, возникшая в пружине, действует на кирпич. Она возникла в результате сжатия пружины.

Сила упругости всегда направлена противоположно той силе, которая вызвала изменение формы или размеров тела. В нашем примере упавший кирпич сжал пружину, то есть подействовал на нее с силой, направленной вниз. В результате в пружине возникла сила упругости, направленная в противоположную сторону, то есть вверх.

Силой тяготения называют силу, с которой все тела в мире притягиваются друг к другу. Разновидностью силы тяготения является сила тяжести – сила, с которой тело, находящееся вблизи какой-либо планеты, притягивается к ней. Например, ракета, стоящая на Марсе, притягивается к нему – на ракету действует сила тяжести.

Сила тяжести всегда направлена к центру планеты. Например, Земля притягивает мальчика и мяч с силами, направленными вниз, то есть к центру планеты.

Силой трения называют силу, препятствующую проскальзыванию одного тела по поверхности другого. Резкое торможение автомобиля сопровождается «визгом тормозов». Он возникает из-за проскальзывания шин по поверхности асфальта. При этом между колесом и дорогой действует сила трения, препятствующая такому проскальзыванию.

Сила трения всегда направлена противоположно направлению проскальзывания рассматриваемого тела по поверхности другого. Например, при торможении автомобиля его колеса проскальзывают вперед, значит, действующая на них сила трения о дорогу направлена в противоположную сторону, то есть назад.

Выталкивающей силой (или силой Архимеда) называют силу, с которой жидкость или газ действуют на погруженное в них тело. Вода в пруду действует на пузырьки воздуха – выталкивает их на поверхность. Вода также действует на рыбу и камни – подталкивает их вверх, уменьшая их вес (силу, с которой камни давят на дно пруда). Архимедова сила обычно направлена вверх, противоположно силе тяжести.

2. Ньютоновский закон всемирного тяготения для силы, действующей между двумя телами с массами m 1 и m 2 , записывается следующим образом:

F=G ,

Где r – расстояние между телами, G= 6,67 Н - гравитационная постоянная (1 Н = 1 ньютон – это величина силы, с которой Земля притягивает тело массой 0,1 кг, находящееся на её поверхности).

Сила гравитационного притяжения между телами, размеры которых значительно меньше расстояния между ними, прямо пропорционально их массам, обратно пропорционально квадрату расстояния между ними и направлено вдоль соединяющей их прямой.

Гравитационная постоянная является мировой константой, её определение возможно при проведении прямых лабораторных опытов по измерению силы гравитационного притяжения двух известных масс. Впервые опыт по определению G был поставлен Г. Кавендишем в 1797 г. зная величину G, можно определить массу Земли, массы других планет Солнечной системы, массу Солнца. Для определения массы Солнца необходимо знать расстояние от Земли до Солнца и время, за которое Земля совершает один оборот вокруг Солнца.

Закон всемирного тяготения позволил Ньютону дать количественное объяснение движению планет вокруг Солнца и Луны вокруг Земли, понять природу морских приливов.

Еще до того как Ньютон постулировал закон всемирного тяготения, И. Кеплер, анализируя движения планет Солнечной системы, предложил три простых закона, очень точно описывающих эти движения не только для всех планет, но и для их спутников.

Лекция № 4

Тема: 1.1.3. Импульс. Закон сохранения импульса и

Реактивное движение

План:

1. Общее понятие. Импульс тела;

2. Закон сохранения импульса;

3. Реактивное движение.

1. Определение: импульсом (количеством движением) тела р называется произведение массы на его скорость.

Мы знаем, что причиной изменения скорости тела является действия других тел. Выясним, какая сила требуется для того, чтобы за время t увеличить скорость тела от 0 до некоторого значения υ . По второму закону Ньютона F=ma , и согласно формуле a=υ/t

Таким образом,

F = mv/t

В правую часть полученного выражения входит произведение массы тела на его скорость. Обозначим это произведение p :

Физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость, называется импульсом тела:

р - импульс тела.

Если тело покоится, то его импульс равен нулю. При увеличении скорости импульс возрастает.

Импульс-величина векторная.

Единицей импульса в СИ является килограмм-метр в секунду (1 кг м/с)

Понятие импульса была ведено введено в физику Рене Декартом (1596-1650). Сам Декарт назвал эту величину не импульсом, а количеством движения.

2. Для импульса справедлив фундаментальный закон природы, называемый законом сохранения импульса (или количества движения). Открывший этот закон Декарт в одном из своих писем написал: «Я принимаю, что во Вселенной, во всей созданной материи есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает»

В наиболее простом случае закон сохранения импульса может быть сформулирован следующим образом.

Тема: “Силы в природе. Гравитационные силы”

1. Выяснить какие типы сил встречаются в природе. Дать определение гравитационной силы. Сформулировать закон всемирного тяготения.
2. Развивать мышление учащихся, интерес к изучению физики.
3. Воспитывать положительное отношение к труду.

Ход урока:

1. Оргмомент.

Здравствуйте ребята. Тема нашего урока “Силы в природе. Гравитационные силы”. Откройте тетради и запишите число и тему урока. Сегодня на уроке мы выясним какие типы сил встречаются в природе. Дадим определение гравитационной силы и сформулируем закон всемирного тяготения. Но сначала давайте повторим пройденный материал.

2. Фронтальный опрос учащихся.

1)Что такое динамика?

2)Сформулируйте первый закон Ньютона.

3)Какие системы отсчета называются инерциальными?

4)Сформулируйте второй закон Ньютона.

5)Сформулируйте третий закон Ньютона.

6)Что такое сила?

3. Объяснение новой темы сопровождается презентацией

Приложение 1 .

1). Типы сил в природе:

Гравитационные – все тела притягиваются друг к другу.

Электромагнитные – действуют между частицами, имеющими электрические заряды (в атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах).

Ядерные – внутри атомных ядер (сказываются только на расстоянии 10 -12 см).

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

2). Гравитационная сила.

Попытки объяснить строение Солнечной системы, занимали умы многих людей. Особенно волновал вопрос о том, что связывает планеты и Солнце в единую систему? Он встал, после того как Коперник “поместил” Солнце в центр, а все планеты заставил обращаться вокруг него. Именно Солнце естественно считать причиной обращения вокруг него Земли и планет. Но не только планеты притягиваются к Солнцу. Солнце тоже притягивается к планетам. Это доказал И. Ньютон. Выражение для силы тяготения Ньютон получил в 1666 году, когда ему было 24 года. Изучая в течение многих лет движение тел, в частности движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, Ньютон пришел к смелой мысли о том, что все тела во Вселенной притягивают друг друга.

Взаимное притяжение между всеми телами было названо всемирным тяготением . (Определение записать в тетрадь)

Силы всемирного тяготения иначе называют гравитационными . (Определение записать в тетрадь)

3). Закон всемирного тяготения

Ньютон установил, как зависит от расстояния ускорение свободного падения. Вблизи поверхности Земли, на расстоянии 6400 км от центра оно составляет 9,8 м/с 2 . А на расстоянии в 60 раз больше, то есть у Луны это ускорение в 3600 раз меньше, чем на Земле. Вывод: ускорение убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли. По второму закону динамики, ускорение прямо пропорционально силе, а сила в свою очередь прямо пропорциональна массам. Обобщив все это, Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения :

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

F=(G m 1 m 2) /r 2

F –модуль вектора силы гравитационного притяжения между телами с массами m 1 и m 2 , находящимися на расстоянии r друг от друга.

G –гравитационная постоянная (закон и формулу закона записать в тетрадь)

Если m 1= m 2 =1кг, то G численно равна силе F.

G=6,67*10 -11 (Н*м 2)/кг 2 (записать в тетрадь)

Это величайшее открытие английский поэт Байрон описывает так в своем произведении “Дон Жуан”:

Так человека яблоко сгубило,
Но яблоко его же и спасло,
Ведь Ньютона открытие разбило
Неведения мучительное зло
Дорогу к новым звездам проложило
И новый выход страждущим дано.
Уж скоро мы, природы властелины
И на Луну пошлем свои машины.

Взаимное притяжение между материальными телами было обнаружено впервые “на небе”. Но закон Ньютона относится ко всем материальным частицам, независимо от их местонахождения, и потому притяжение должно существовать и между земными телами. Такое притяжение было обнаружено в XVII веке, через 50 лет после открытия Ньютона, французскими учеными Бугером и Кондамином в результате эксперимента. Более точные опыты провел в 1798 году английский ученый Кавендиш.

4). Опыт Кавендиша (учебник страница 83, рисунок 81 и рисунок на экране)

Два шарика 1, имеющие одинаковую массу m 1, укреплены на концах легкого коромысла 2, подвешенного на упругой нити 3. Шарики находятся на расстоянии r от более массивных шаров 4 массой m 2. Под действием силы притяжения малых шаров к большим, коромысло поворачивается. По углу закручивания нити определяется сила гравитационного притяжения F 12 шариков массами m 1 и m 2 . Кавендиш нашел числовое значение гравитационной постоянной.

5). Применение формулы закона для расчетов (записать в тетрадь)

Формула закона всемирного тяготения дает точный результат при расчете:

а) если размеры тел пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними;
б) если оба тела однородны и имеют шарообразную форму;
в) если одно из взаимодействующих тел – шар, размеры и масса которого, значительно больше, чем у второго тела.

4. Закрепление.

Тест. Букву, под которой находится правильный ответ записать в таблицу. В результате получится ключевое слово.

1. Кто открыл закон всемирного тяготения?

З Ньютон;
В Кавендиш;
Р Коперник.

2. Формула, определяющая силу всемирного притяжения между двумя телами.

Е F=(m 1 m 2) /r 2 ;
A F=(Gm 1 m 2)/r 2 ;
O F=(Gm 1 m 2)/r.

3. Как изменится сила притяжения между двумя шарами, если один из них заменить другим масса которого вдвое больше?

Н не изменится;
К увеличится в два раза;
З уменьшится в два раза.

4. Чему равна гравитационная постоянная?

О 6,67*10 -11 Н*м 2 /кг 2 ;
Е 6,67*10 -11 Н*м/кг;
И 6,67*10 -1 Н*м 2 /кг 2 .

5. Как изменится сила притяжения между двумя шарами, если расстояние между ними увеличить вдвое?

К уменьшится в два раза;
Т увеличится в четыре раза;
Н уменьшится в четыре раза.

5. Расслабление глаз

(музыка).

Сесть спокойно и устойчиво. Закрыть глаза и расслабить веки. Мысленно погладить глаза теплыми мягкими пальцами. Почувствовать, как глазные яблоки совершенно пассивно лежат в глазницах. Лицо и тело расслаблены. Чувства тепла и тяжести сменяются легкостью, а в дальнейшем – полной потерей ощущения глаз.

До сих пор использовалось общее понятие силы, и не рассматривался вопрос о том, какие бывают силы и что они собой представляют. Несмотря на многообразие сил, встречающихся в природе, все их можно свести к четырем видам фундаментальных сил: 1) гравитационные; 2) электромагнитные; 3) ядерные; 4) слабые.

Гравитационные силы возникают между любыми телами. Их действие надо учитывать лишь в мире больших тел.

Электромагнитные силы действуют на заряды как неподвижные, так и движущиеся. Поскольку вещество построено из атомов, которые, в свою очередь состоят из электронов и протонов, то большинство сил, с которыми мы встречаемся в жизни - это электромагнитные силы. Ими являются, например, силы упругости, возникающие при деформации тел, силы трения.

Ядерные и слабые силы проявляют себя на расстояниях, не превышающих м, поэтому эти силы заметны лишь в микромире. Вся классическая физика, а вместе с ней и понятие силы, неприменимы к элементарным частицам. Характеризовать точным образом взаимодействие этих частиц с помощью сил нельзя. Единственно возможным здесь становится энергетическое описание. Тем не менее, и в атомной физике часто говорят о силах. В этом случае терминсила становится синонимом слова взаимодействие .

Таким образом, в современной науке слово сила употребляется в двух смыслах: во-первых, в смысле механической силы – точной количественной меры взаимодействия; во-вторых, сила означает наличие взаимодействия определенного типа, точной количественной мерой которого может быть только энергия .

В механике рассматриваются три типа сил: гравитационные, упругие и силы трения. Кратко остановимся на них.

1. Гравитационные силы . Все тела в природе притягиваются друг к другу. Эти силы получили название гравитационных. Ньютон установил закон, названный законом всемирного тяготения : силы, с которыми притягиваются материальные точки, пропорциональны произведению их масс, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющих их, т.е.

, (2.16)

где М и т – массы тел; r – расстояние между телами;   гравитационная постоянная. Знак «» указывает на то, что это сила притяжения.

Из формулы (2.16) следует, что при т = М = 1 кг и r = 1 м,  = F , т.е. гравитационная постоянная равна модулю силы притяжения материальных точек единичной массы, находящихся на единичном расстоянии друг от друга. Впервые опытное доказательство закона всемирного тяготения проведено Кавендишем. Он сумел определить величину гравитационной постоянной:
. Очень малая величина указывает на то, что сила гравитационного взаимодействия значительна только в случае тел с большими массами.

2. Силы упругости . При упругих деформациях возникают силы упругости. Согласно закону Гука , модуль упругой силы
пропорционален величине деформациих , т.е.

, (2.17)

где k  коэффициент упругости. Знак «» определяет тот факт, что направление силы и деформации противоположны.

3. Силы трения . При перемещении соприкасающихся тел или их частей относительно друг друга возникают силы трения . Различают внутреннее (вязкое) и внешнее (сухое) трение.

Вязким трением называют трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды.

Внешним трением называют явление возникновения в месте контакта соприкасающихся твердых тел сил, препятствующих их взаимному перемещению. Если соприкасающиеся тела неподвижны, то между ними возникает сила при попытке сдвинуть одно тело относительно другого. Она называется силой трения покоя . Сила трения покоя не является однозначно определенной величиной. Она меняется от нуля до максимального значения силы, приложенной параллельно плоскости соприкосновения, при которой тело начинает двигаться (рис. 2.3).

Обычно силой трения покоя и называют эту максимальную силу трения. Модуль силы трения покоя
пропорционален модулю силы нормального давления, который по третьему закону Ньютона равен модулю силы реакции опорыN , т.е.
, где
 коэффициент трения покоя.

При движении тела по поверхности другого тела возникает сила трения скольжения . Установлено, что модуль силы трения скольжения
так же пропорционален модулю силы нормального давленияN

, (2.19)

где   коэффициент трения скольжения. Установлено, что
, однако при решении многих задач их считают равными.

При решении задач учитывают следующие виды сил:

1. Сила тяжести
 сила, с которой гравитационное поле Земли действует на тело (приложена эта сила к центру масс тела).

Необходимо знать точку приложения и направление каждой силы. Важно уметь определить какие именно силы действуют на тело и в каком направлении. Сила обозначается как , измеряется в Ньютонах. Для того, чтобы различать силы, их обозначают следующим образом

Ниже представлены основные силы, действующие в природе. Придумывать не существующие силы при решении задач нельзя!

Сил в природе много. Здесь рассмотрены силы, которые рассматриваются в школьном курсе физики при изучении динамики. А также упомянуты другие силы, которые будут рассмотрены в других разделах.

Сила тяжести

На каждое тело, находящееся на планете, действует гравитация Земли . Сила, с которой Земля притягивает каждое тело, определяется по формуле

Точка приложения находится в центре тяжести тела. Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз .

Сила трения

Познакомимся с силой трения. Эта сила возникает при движении тел и соприкосновении двух поверхностей. Возникает сила в результате того, что поверхности, если рассмотреть под микроскопом, не являются гладкими, как кажутся. Определяется сила трения по формуле:

Сила приложена в точке соприкосновения двух поверхностей. Направлена в сторону противоположную движению.

Сила реакции опоры

Представим очень тяжелый предмет, лежащий на столе. Стол прогибается под тяжестью предмета. Но согласно третьему закону Ньютона стол воздействует на предмет с точно такой же силой, что и предмет на стол. Сила направлена противоположно силе, с которой предмет давит на стол. То есть вверх. Эта сила называется реакцией опоры. Название силы "говорит" реагирует опора . Эта сила возникает всегда, когда есть воздействие на опору. Природа ее возникновения на молекулярном уровне. Предмет как бы деформировал привычное положение и связи молекул (внутри стола), они, в свою очередь, стремятся вернуться в свое первоначальное состояние, "сопротивляются".

Абсолютно любое тело, даже очень легкое (например,карандаш, лежащий на столе), на микроуровне деформирует опору. Поэтому возникает реакция опоры.

Специальной формулы для нахождения этой силы нет. Обозначают ее буквой , но эта сила просто отдельный вид силы упругости, поэтому она может быть обозначена и как

Сила приложена в точке соприкосновения предмета с опорой. Направлена перпендикулярно опоре.

Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра

Сила упругости

Это сила возникает в результате деформации (изменения первоначального состояния вещества). Например, когда растягиваем пружину, мы увеличиваем расстояние между молекулами материала пружины. Когда сжимаем пружину - уменьшаем. Когда перекручиваем или сдвигаем. Во всех этих примерах возникает сила, которая препятствует деформации - сила упругости.

Закон Гука

Сила упругости направлена противоположно деформации.

Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра

При последовательном соединении, например, пружин жесткость рассчитывается по формуле

При параллельном соединении жесткость

Жесткость образца. Модуль Юнга.

Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества. Это постоянная величина, зависящая только от материала, его физического состояния. Характеризует способность материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия. Значение модуля Юнга табличное.

Подробнее о свойствах твердых тел .

Вес тела

Вес тела - это сила, с которой предмет воздействует на опору. Вы скажете, так это же сила тяжести! Путаница происходит в следующем: действительно часто вес тела равен силе тяжести, но это силы совершенно разные. Сила тяжести - сила, которая возникает в результате взаимодействия с Землей. Вес - результат взаимодействия с опорой. Сила тяжести приложена в центре тяжести предмета, вес же - сила, которая приложена на опору (не на предмет)!

Формулы определения веса нет. Обозначается эта силы буквой .

Сила реакции опоры или сила упругости возникает в ответ на воздействие предмета на подвес или опору, поэтому вес тела всегда численно одинаков силе упругости, но имеет противоположное направление.

Сила реакции опоры и вес - силы одной природы, согласно 3 закону Ньютона они равны и противоположно направлены. Вес - это сила, которая действует на опору, а не на тело. Сила тяжести действует на тело.

Вес тела может быть не равен силе тяжести. Может быть как больше, так и меньше, а может быть и такое, что вес равен нулю. Это состояние называетсяневесомостью . Невесомость - состояние, когда предмет не взаимодействует с опорой, например, состояние полета: сила тяжести есть, а вес равен нулю!

Определить направление ускорения возможно, если определить, куда направлена равнодействующая сила

Обратите внимание, вес - сила, измеряется в Ньютонах. Как верно ответить на вопрос: "Сколько ты весишь"? Мы отвечаем 50 кг, называя не вес, а свою массу! В этом примере, наш вес равен силе тяжести, то есть примерно 500Н!

Перегрузка - отношение веса к силе тяжести

Сила Архимеда

Сила возникает в результате взаимодействия тела с жидкость (газом), при его погружении в жидкость (или газ). Эта сила выталкивает тело из воды (газа). Поэтому направлена вертикально вверх (выталкивает). Определяется по формуле:

В воздухе силой Архимеда пренебрегаем.

Если сила Архимеда равна силе тяжести, тело плавает. Если сила Архимеда больше, то оно поднимается на поверхность жидкости, если меньше - тонет.

Электрические силы

Существуют силы электрического происхождения. Возникают при наличии электрического заряда. Эти силы, такие как сила Кулона , сила Ампера , сила Лоренца , подробно рассмотрены в разделе Электричество .

Схематичное обозначение действующих на тело сил

Часто тело моделируют материальной точкой . Поэтому на схемах различные точки приложения переносят в одну точку - в центр, а тело изображают схематично кругом или прямоугольником.

Для того, чтобы верно обозначить силы, необходимо перечислить все тела, с которыми исследуемое тело взаимодействует. Определить, что происходит в результате взаимодействия с каждым: трение, деформация, притяжение или может быть отталкивание. Определить вид силы, верно обозначить направление. Внимание! Количество сил будет совпадать с числом тел, с которыми происходит взаимодействие.

Главное запомнить

Силы трения

Различают внешнее (сухое) и внутреннее (вязкое) трение. Внешнее трение возникает между соприкасающимися твердыми поверхностями, внутреннее - между слоями жидкости или газа при их относительном движении. Существует три вида внешнего трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Трение качения определяется по формуле

Сила сопротивления возникает при движении тела в жидкости или в газе. Величина силы сопротивления зависит от размеров и формы тела, скорости его движения и свойств жидкости или газа. При небольших скоростях движения сила сопротивления пропорциональна скорости тела

При больших скоростях пропорциональна квадрату скорости

Взаимосвязь силы тяжести, закона гравитации и ускорения свободного падения

Рассмотрим взаимное притяжение предмета и Земли. Между ними, согласно закону гравитации возникает сила А сейчас сравним закон гравитации и силу тяжести

Величина ускорения свободного падения зависит от массы Земли и ее радиуса! Таким образом, можно высчитать, с каким ускорением будут падать предметы на Луне или на любой другой планете, используя массу и радиус той планеты.

Расстояние от центра Земли до полюсов меньше, чем до экватора. Поэтому и ускорение свободного падения на экваторе немного меньше, чем на полюсах. Вместе с тем, следует отметить, что основной причиной зависимости ускорения свободного падения от широты местности, является факт вращения Земли вокруг своей оси.

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