Разработка систем, использующих законы инерции в повседневной жизни человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Закон инерции, история исследования и первый закон Ньютона

2. Формулы расчёта

Заключение

Использованная литература

Введение

Проблема: применение инерционных законов в природе и повседневной жизни

Актуальность: закон инерции (первый закон Ньютона) - это теоретический закон, исследуемый в школьном курсе физики. Выбор темы для текущей работы обусловлен особенностями применения естественных законов в природе и в механизмах, искусственно создаваемых человеком.

Объект: теоретический закон инерции (первый закон Ньютона)

Предмет: естественные и искусственные механизмы, построенные на основе закона инерции

Гипотеза: на все механизмы на земле действует сила инерции

Цель: разработка систем, использующих законы инерции в повседневной жизни человека

Задачи: - изучение теоретической базы по теме «Инерция»(законы инерции и формулы теоретических расчётов);

- изучить историю механизмов, построенных с учётом законов инерции и определить области их использования;

- создание копилки опытов по использованию инерционных механизмов .

Продукт проекта: создание копилки опытов, доказывающих существование закона инерции.

1. Закон инерции, история исследования и первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона можно коротко сформулировать так:

Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют никакие силы или действие других сил скомпенсировано.

Поясним эту формулировку на практическом примере: если взять тележку и пустить её по ровной дороге, применив к ней только силу толчка (исключая трение воздуха, давление и т.д.), то она будет катиться бесконечно долго с одной и той же скоростью.

Таким образом, инерция - это способность тел сохранять движение при отсутствии воздействия внешних сил.

Впервые этот термин и примеры проявления инерции в природе встречаются у Аристотеля в IV веке до н.э. , позже у Галилео Галилея и Исаака Ньютона. Последний в конце XVIII века обобщил их исследования и сформулировал закон инерции или первый закон механики.

Основной величиной закона инерции является масса тела. Чем она больше, тем большую силу к нему надо приложить, чтобы оно начало движение, и закончило его. Ногой можно легко толкнуть лёгкий мячик, и он полетит далеко. Для его остановки не надо прилагать больших усилий. Чтобы сдвинуть гружёный товарный состав, нужны усилия двух тепловозов, а при его внезапной остановке тормозной путь может быть более 1000 метров.

Движение в механике является относительным и происходит в условиях системы отсчёта с учётом закона инерции. Такая система называется инерциальной, т.е. находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения по отношению к другой инерциальной системе отсчёта. Следствием этого утверждения является гипотеза о существовании бесконечно большого количества инерциальных систем. Системы, в которых не соблюдаются условия закона инерции, т.е. внутри них тело движется неравномерно (с ускорением) называются неинерциональными. В неинерциальной системе отсчёта на него не действуют другие тела. Однако, в повседневной жизни исполнение этих условий практически невозможно, потому что на любое тело действует совокупность сил. Поэтому, изменив интерпретацию закона, получаем, что всегда существует такая система координат, относительно которой можно сказать, что на тело не действуют никакие другие силы и тело сохраняет свою скорость движения на протяжении длительного времени.

Ньютон уточнял, что любое тело по умолчанию находится под действием инерции пока к нему не прилагается извне другая сила .

В качестве примера рассмотрим человека, держащегося за поручни в передвигающемся транспорте. При резком торможении машины человек автоматически двигается внутри транспорта (в противоположном движению направлении), несмотря на отсутствие внешней силы.

Примером инерционной системы в природе Ньютон считал Солнечную Систему, в которой планеты вращаются вокруг Солнца с постоянной скоростью. Однако, относительно Земли, которая вращается ещё и вокруг своей оси, нельзя употребить термин «инерциональная система», т.к. её движение обусловлено действием других сил, которым, однако, можно принебречь при расчётах. Проиллюстрировать это наше утверждение можно, учитывая, что Земля вращается вокруг своей оси, а значит все точки, лежащие на ее поверхности, непрерывно меняют направление своей скорости. Скорость - векторная величина. Если ее направление меняется, то появляется некоторое ускорение. Следовательно, Земля не может быть инерциональной системой отсчёта. Если подсчитать это ускорение для точек находящихся на экваторе (точки, которые обладают максимальным ускорением относительно точек, находящихся ближе к полюсам), то его значение будет . Индекс показывает, что ускорение является центростремительным. В сравнении с ускорением свободного падения , ускорением можно пренебречь и считать Землю инерциальной системой отсчета. Однако при длительных наблюдениях забывать о вращении Земли нельзя. Убедительно это показал французский ученый Жан Бернар Леон Фуко. Маятник Фуко - это массивный груз, подвешенный на очень длинной нити. Если маятник Фуко вывести из состояния равновесия, то он будет описывать следующую траекторию отличную от прямой. Смещение маятника обусловлено вращением Земли.

Большая часть систем, реальных систем отсчета - неинерциальные. Рассмотрим простой пример: сидя в поезде, вы положили на стол какое-либо тело (например, яблоко). Когда поезд трогается с места, мы будем наблюдать такую любопытную картину: яблоко будет двигаться, покатится в противоположную движению поезда сторону. В данном случае мы не сможем определить, какие же тела действуют, заставляют яблоко двигаться.

При действии силы на тело, оно или изменяет свою скорость движения, тогда говорят о динамическом проявлении силы, или деформируется, тогда имеют в виду статическое проявление силы. Сила является векторной величиной и определяется величиной и направлением.

Все предметы стремятся сохранять состояние покоя или движения. При трогании грузовика незакреплённый груз в его кузове смещается назад, при остановке - вперёд. То же самое можно наблюдать со стоящими пассажирами в общественном транспорте при резком изменении его скорости или направления. инерция механика навигация ньютон

Экономия энергии при движении объектов (транспортных средств). Движение космических аппаратов вне атмосферы Земли происходит долго по инерции после отключения двигателей. Благодаря этому мы обеспечены надёжной связью через спутники, расположенные на геостационарных орбитах. Автомобилист экономит топливо, когда выключает передачу в машине и двигается какое-то время накатом. Для большей экономии придумали инерционный аккумулятор, в котором энергия торможения транспортного средства передаётся на вращающийся маховик, а потом используется для движения. В середине XX века в некоторых странах эксплуатировали необычный вид общественного транспорта - гиробус. Его движение осуществлялось от массивного маховика, который раскручивался при остановках на зарядных станциях.

Применение в приборах инерциальной навигации. Их работа основана на свойствах явления. Основной частью приборов является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы. Такие устройства применяют в системах навигации космических аппаратов, морских судов, самолетов, подводных лодок, ракет.

Фиксация в определённом положении частей или всего механизма (объекта). Свойство вращающегося тела соблюдать своё положение используется в гироскопах. А они применяются для стабилизации космических аппаратов, летающих объектов (автопилот), положения отдельных частей механизмов. Гироскоп танкового орудия позволяет сохранять неизменное, наведённое на цель, положение ствола даже во время движения. Стабилизация высотных объектов. Верхушки высотных сооружений под воздействием ветровой нагрузки отклоняются от вертикального положения. Для компенсации таких колебаний и ослабления эффекта горизонтального сейсмического воздействия, в небоскрёбах помещают инерционные демпферы. Они представляют собой массивные грузы, которые подвешиваются или устанавливаются на специальных креплениях в верхних этажах башен. При влиянии внешних сил на здание, груз по инерции сопротивляется этому, колебания гасятся. Все знают, что скорость любого предмета сама по себе не изменяется. Он не сможет самостоятельно начать двигаться или изменить направление без влияния внешних сил. Например, лодка стоит у берега и не двигается, но если её толкнуть, то она поплывёт. Движение начнётся только после воздействия извне.

2. Формулы расчёта

Формулу этого закона можно записать следующим образом:

F = 0 > V = const, a = 0

Где F - суммарные силы, действующие на тело, в инерциальной системе Ньютона (существующей только теоретически) они равны 0. V - скорость движения тела, a - его ускорение.

Скорость движения тела (V), является константой, то есть постоянной величиной, если представить, что на тело не действуют другие силы, ускорение же также равно 0, поскольку опять таки скорость тела у нас константа.

По-другому теорию можно выразить формулой :

F= ma, где величины F и а имеют разную направленность.

3. Примеры природных проявлений закона инерции и использование искусственных инерционных механизмов

Из самого определения инерции исходит возможность использования этого явления. Приведём примеры положительного опыта использования закона инерции в повседневной жизни и систем, построенных с его учётом.

Различные виды спорта: лыжные, велосипедные и конькобежные гонки, толкание ядра, метание молота, диска, копья, хоккей, футбол, кёрлинг, фигурное катание, теннис и др.

Сглаживание неравномерностей вращения в различных механизмах и двигателях внутреннего сгорания засчёт движения внутреннего маховика (модель маховика см. на слайде 10 презентации).

Экономия энергии при движении объектов (транспортных средств). Движение космических аппаратов вне атмосферы Земли происходит долго по инерции после отключения двигателей. Благодаря этому мы обеспечены надёжной связью через спутники, расположенные на геостационарных орбитах. Автомобилист экономит топливо, когда выключает передачу в машине и двигается какое-то время накатом. Для большей экономии придумали инерционный аккумулятор, в котором энергия торможения транспортного средства передаётся на вращающийся маховик, а потом используется для движения. В середине XX века в некоторых странах эксплуатировали необычный вид общественного транспорта - гиробус. Его движение осуществлялось от массивного маховика, который раскручивался при остановках на зарядных станциях. Применение в приборах инерциальной навигации. Их работа основана на свойствах явления. Основной частью приборов является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы. Такие устройства применяют в системах навигации космических аппаратов, морских судов, самолетов, подводных лодок, ракет.

Негативные результаты действия силы инерции:

Трата дополнительной энергии на разгон и торможение транспортных средств. Из-за инерции автомобили и поезда не могут мгновенно набрать нужную скорость или остановиться. По этой же причине происходит износ деталей тормозной системы. Их приходится периодически заменять.

Аварии при столкновениях транспортных средств, несчастные случаи с людьми при переходе дорог. Из-за того, что движущиеся тела невозможно мгновенно остановить, может причиняться вред. Для каждого вида транспорта существует определённый тормозной путь. Для тяжёлых объектов он может быть довольно большим. По этой причине происходят столкновения автомобилей или поездов с гибелью людей. Особенно это актуально для морского транспорта, который останавливается очень медленно. При ходьбе человек может запнуться за какой-то предмет или поскользнуться на льду. По инерции тело будет двигаться вперёд и произойдёт падение, результатом которого может быть травма.

Заключение

Разумеется, в реальности таких систем, где на тело не действуют никакие другие внешние силы, не существует. Так, например, все тела на Земле находятся под постоянным воздействием силы земного притяжения (чтобы убедится в этом, достаточно отпустить любой предмет и он неизменно упадет вниз). Или, например, во время ходьбы на нас действует множество разных внешних сил: все та же сила притяжения, сила трения, сила сопротивления воздуха и т. д.

Действие силы инерции на практике мы описали в презентации (слайды 7,8), приведя в пример повседневные занятия человека и его обычные действия с предметами. Также в презентации на слайдах 10-14 приведены рисунки и описания простых механизмов, входящих в состав сложных и учитывающих действие силы инерции.

Использованная литература

1. Пёрышкин А.В. Физика 9 класс: учебник / А.В.Пёрышкин, Е.М.Гутник. - М.: Дрофа, 2014 г. - 319 с.

Размещено на Allbest.ru