Силы в природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Тема: Силы в природе

План

1. Силы трения

2. Силы упругости. Закон Гука

3. Сила всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела

4. Силы инерции

В современной физике различают четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. В рамках классической механики имеем дело с гравитационным и электромагнитным взаимодействием, которые являются фундаментальными - их нельзя свести к другим, более простым.

1. Силы трения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Во всех механических явлениях имеют место силы трения, действие которых почти всегда (исключение - силы трения покоя) связано с переходом энергии из одного вида в другой; обычно вследствие действия сил трения механическая энергия переходит во внутреннюю энергию (тело или система нагреваются). Эти силы ничем не отличаются от других сил в механике, но имеют свои особенности. Силы трения появляются при перемещении двух соприкасающихся тел или частей тела относительно друг друга. Силы трения направлены по касательной к трущимся поверхностям, причем так, что они противодействуют относительному смещению этих поверхностей. В случае сухого трения, сила трения возникает не только при скольжении одной поверхности по другой, но также и при попытках вызвать такое смещение. В этом случае сила трения называется силой трения покоя.

Рассмотрим два соприкасающихся тела 1 и 2 (рис. 3.1). Попытаемся переместить тело 1, подействовав на него внешней силой . Опыт показывает, что для каждой пары тел, имеется определенное значение силы , при котором тело 1 удается сдвинуть с места. При значениях действующей силы F, удовлетворяющей неравенству , тело остается в покое. Из первого закона Ньютона следует, что в этом случае сила уравновешена равной ей по величине и противоположной по направлению силой , которая и называется силой трения покоя (рис. 3.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Опыт показывает, что максимальная сила трения покоя равна

, 3.1

где N - сила нормального давления, - безразмерный коэффициент, зависящий от рода соприкасающихся тел и чистоты обработки поверхности и называемый коэффициентом трения.

Если сила , действующая на тело, превосходит , то тело начинает скользить, причем его ускорение определяется равнодействующей двух сил, внешней и силы трения скольжения , величина которой равна максимальному значению силы трения покоя . График зависимости силы трения от скорости приведен на рисунке 3.2. В отличие от сухого, вязкое трение (трение между слоями жидкости или газа) характерно тем, что сила вязкого трения обращается в нуль одновременно со скоростью. Помимо сил трения, при движении в жидкости или газе возникают силы сопротивления среды, которые могут быть гораздо больше сил трения. Характерной особенностью этих сил является их зависимость от скорости движения тела и его формы.

2. Силы упругости. Закон Гука

Под влиянием внешних сил всякое тело деформируется, т.е. изменяет свою форму или размеры. Если деформация полностью исчезает после снятия внешних сил, то она называется упругой.

По закону экспериментально установленному Р. Гуком:

сила упругости прямо пропорциональна величине деформации и направлена в сторону, противоположную направлению смещения частиц тела при деформации:

, 3.2

где - жесткость тела, x - величина деформации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим деформацию одностороннего растяжения (сжатия). Пусть на стержень длиной и площадью поперечного сечения S действует внешняя сила F, направленная перпендикулярно сечению стержня (рис. 3.3). Под действием этой силы стержень растягивается, и его длина становится равной . Величину равную

3.3

называют абсолютным удлинением (деформацией) стержня, а величину

3.4

относительным удлинением (деформацией).

Величина равная отношению силы F к площади поперечного сечения стержня S называется механическим напряжением

. 3.5

При упругой деформации относительное удлинение образца прямо пропорционально механическому напряжению, т.е.

, 3.6

где - коэффициент упругости, зависящий от рода материала и его обработки. Наряду с коэффициентом упругости для характеристики упругих свойств тел пользуются обратной ему величиной,

3 .7

которая называется модулем Юнга. Используя модуль Юнга, закон Гука можно записать в виде

. 3.8

закон гук упругость инерция

Если относительное удлинение равно единице, то механическое напряжение равно модулю Юнга. Модуль Юнга численно равен механическому напряжению, растягивающему образец вдвое.

При деформации тела совершается работа. Так как сила упругости линейно растет с увеличением , то . Из закона Гука и тогда . С учетом этого получим , так как , то , где V - объем образца, - относительная деформация, Е - модуль Юнга.

Эта работа идет на изменение потенциальной энергии образца и, следовательно, потенциальная энергия упруго деформированного тела определяется по формуле

. 3.9

3. Сила всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела

Закон всемирного тяготения был сформулирован Ньютоном - сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами тел, т.е.

, 3.10

где - гравитационная постоянная, численно равная силе взаимодействия двух тел единичной массы, находящихся на единичном расстоянии друг от друга.

Сила всемирного тяготения является центральной силой, т.е. направленной вдоль прямой соединяющей центры тел.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Под действием силы притяжения к Земле все тела падают с одинаковым ускорением, равным ускорению свободного падения . Это означает, что на всякое тело массы m действует сила , называемая силой тяжести.

Когда тело покоится относительно Земли, сила тяжести уравновешивается силой реакции опоры (или подвеса), удерживающей тело от падения (рис.3.4). По третьему закону Ньютона, тело будет действовать на опору (или подвес) с силой , равной по величине и противоположной ей по направлению, т.е. .

Сила, с которой тело действует на опору или подвес, вследствие притяжения к земле, называется весом тела.

В случае, когда тело движется с некоторым ускорением , вес тела определяется по формуле . Если , то - невесомость.

4. Силы инерции

Законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета и ускорение тела в любой системе отсчета равно .

Неинерциальная система отсчета движется относительно инерциальной системы отсчета с некоторым ускорением , поэтому ускорение тела в неинерциальной системе отсчета будет отличаться от . На основании принципа независимости движений можно написать, что .

Пусть равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна . Тогда из второго закона Ньютона можно найти, что ускорение тела относительно инерциальной системы отсчета будет равно . Ускорение тела относительно неинерциальной системы отсчета . Отсюда следует, что даже при , тело будет двигаться относительно неинерциальной системы отсчета с ускорением , т.е. так, как если бы на него действовала бы сила, равная . Эти силы получил название сил инерции.

Рассмотрим некоторые примеры.

а) Неинерциальная система движется прямолинейно с ускорением , относительно этой системы тело покоится.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим вагон, к потолку которого подвешен нити шар. Пока вагон движется равномерно и прямолинейно нить расположена вертикально и сила натяжения нити уравновешивает силу тяжести (рис.3.5 а). Если вагон начинает двигаться с ускорением , нить отклоняется от вертикали на такой угол, чтобы результирующая сил и сообщала шарику ускорение, равное (рис.3.5 б). Но относительно вагона шарик покоится, несмотря на то, что результирующая сил и , отлична от нуля. Отсутствие ускорения шарика относительно вагона, формально можно объяснить тем, что на него действует сила инерции

3.11

и тогда сумма сил, приложенных к шарику, будет равна нулю.

б) Система отсчета вращается, относительно нее тело покоится.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим диск, вращающийся вокруг вертикальной оси с угловой скоростью . Вместе с диском вращается надетый на спицу шарик, соединенный с центром диска пружиной (рис.3.6). Шарик занимает на спице такое положение, при котором сила упругости пружины сообщает ему центростремительное ускорение и, следовательно, сила упругости пружины равна . Но относительно диска шарик покоится. Это можно объяснить тем, что на него действует сила инерции

, 3.12

направленная вдоль радиуса от центра диска. Поэтому эту силу называют центробежной силой инерции.

в) Система отсчета вращается с некоторой угловой скоростью , тело относительно нее движется с некоторой скоростью .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим диск, который может вращаться вокруг вертикальной оси с некоторой угловой скоростью . Запустим в направлении от О к А шарик со скоростью . Если диск неподвижен, то шарик будет двигаться по радиусу ОА. Если же диск привести во вращение, с угловой скоростью , то шарик будет двигаться по кривой ОВ (рис. 3.7), причем его скорость будет изменять направление. Следовательно, по отношению к неинерциальной системе отсчета шарик ведет себя так, как если бы на него действовала сила перпендикулярная скорости. Эта сила получила название силы Кориолиса и определяется она по формуле

. 3.13

Силы Кориолиса необходимо учитывать при движении тел относительно Земли, так как земля вращается относительно оси. Например, свободно падающее тело отклоняется к востоку. Летящий снаряд отклоняется к востоку при выстреле на север и к западу, при выстреле на юг. Снаряд, летящий вдоль параллели сила Кориолиса будет прижимать к Земли при выстреле на запад, и поднимать при выстреле на восток. Вот почему космические спутники всегда запускают в направлении на восток. Действием силы Кориолиса объясняется неравномерный износ рельсов железной дороги и берегов рек.

Размещено на Allbest.ru