Физика — вспомнить всё. Понятия и определения

> Сила

Описание силы в физике: термин и определение, законы силы, измерение единиц в Ньютонах, второй закон Ньютона и формула, схема воздействия силы объекта.

Сила – любое воздействие, приводящее к изменению объекта в движении, направлении или геометрической конструкции.

Задача обучения

• Создать соотношение между массой и ускорением.

Основные пункты

• Сила выступает векторным понятием, обладающим величиной и направлением. Это касается также массы и ускорения.
• Если говорить проще, то сила выступает толчком или тягой, которую можно определить различными стандартами.
• Динамика – изучение силы, заставляющей объекты или системы перемещаться и деформироваться.
• Внешние силы – любые внешние воздействия, влияющие на тело, а внутренние – действуют изнутри.

Термины

• Векторная скорость – скорость изменения положения по времени и направлении.
• Сила – любое воздействие, приводящее к изменению объекта в движении, направлении или геометрической конструкции.
• Вектор – направленное количество, характеризующееся величиной и направлением (между двумя точками).

Пример

Чтобы изучить стандарты силы в физике, причины и результаты, используйте две резиновых ленты. Повесьте одну на крючок в вертикальном положении. Найдите небольшой предмет и прикрепите к свисающему концу. Измерьте полученное растяжение с различными предметами. Какая связь между количеством подвешенных предметов и длиной растяжки? Что будет с приклеенным весом, если сдвинуть ленту карандашом?

Обзор сил

В физике в качестве силы выступает любое явление, заставляющее объект проходить через изменения в движении, направлении или геометрической конструкции. Измеряется в Ньютонах. Сила – то, из-за чего объект с массой меняет свою скорость или деформируется. Силу также описывают интуитивными понятиями, вроде «толчок» или «выталкивание». Обладает величиной и направлением (векторная).

Характеристики

Второй закон Ньютона говорит, что чистая сила, влияющая на объект, равна скорости, с которой меняется ее импульс. Также ускорение объекта прямо пропорционально влияющей на него силе и находится в направлении чистой силы и обратно пропорционально массе.

Не забывайте, что сила выступает векторной величиной. Вектор – одномерный массив с величиной и направлением. В нем присутствует масса и ускорение:

С силой также связаны тяга (увеличивает скорость объекта), торможение (уменьшает скорость) и вращательный момент (меняет скорость). Силы, которые не задействованы равномерно во всех частях объекта, также приводят к механическому напряжению (деформируют материю). Если в твердом объекте оно постепенно деформирует его, то в жидкости меняет давление и объем.

Динамика

Это изучение сил, приводящих объекты и системы в движение. Мы понимаем силу как определенный толчок или тягу. Они обладают величиной и направлением. На рисунке вы можете рассмотреть несколько примеров применения силы. Сверху слева – роликовая система. Сила, которую нужно применить к кабелю, должна равняться и превышать силу, создаваемую массой, объектами или эффектами силы тяжести. Сверху справа показано, что любой объект, расположенный на поверхности, будет влиять на нее. Внизу – притяжение магнитов.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Сила – это векторная величина, являющаяся мерой действия на данное тело других тел или полей, в результате которого происходит изменение состояния данного тела. Под изменением состояния в данном случае понимают изменение или деформацию.

Понятие силы относится к двум телам. Всегда можно указать тело, на которое действует сила, и тело, со стороны которого она действует.

Сила характеризуется:

• модулем;
• направлением;
• точкой приложения.

Модуль и направление силы не зависят от выбора .

Единица измерения силы в системе Си – 1 Ньютон .

В природе нет материальных тел, находящихся вне воздействия на них других тел, а, следовательно, все тела находятся под воздействием внешних или внутренних сил.

На тело одновременно может действовать несколько сил. В этом случае справедлив принцип независимости действия: действие каждой силы не зависит от присутствия или отсутствия других сил; совместное действие нескольких сил равно сумме независимых действий отдельных сил.

Равнодействующая сила

Для описания движения тела в этом случае пользуются понятием равнодействующей силы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Равнодействующая сила – это сила, действие которой заменяет действие всех сил, приложенных к телу. Или, другими словами, равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равна векторной сумме этих сил (рис.1).

Рис.1. Определение равнодействующей сил

Так как движение тела всегда рассматривается в какой-либо системе координат, удобно рассматривать не саму силу, а ее проекции на координатные оси (рис.2, а). В зависимости от направления силы ее проекции могут быть как положительными (рис.2,б), так и отрицательными (рис.2,в).

Рис.2. Проекции силы на координатные оси: а) на плоскости; б) на прямой (проекция положительна);
в) на прямой (проекция отрицательна)

Рис.3. Примеры, иллюстрирующие векторное сложение сил

Мы часто наблюдаем примеры, иллюстрирующие векторное сложение сил: лампа висит на двух тросах (рис.3, а) – в этом случае равновесие достигается за счет того, что равнодействующая сил натяжения компенсируется весом лампы; брусок соскальзывает по наклонной плоскости (рис.3, б) – движение возникает за счет равнодействующей сил трения, тяжести и реакции опоры. Знаменитые строки из басни И.А. Крылова «а воз и ныне там!» — также иллюстрация равенства нулю равнодействующей трех сил (рис.3, в).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Существует ряд законов, которые характеризуют физические процессы при механических движениях тел.

Выделяют следующие основные законы сил в физике:

• закон силы тяжести;
• закон всемирного тяготения;
• законы силы трения;
• закон силы упругости;
• законы Ньютона.

Закон силы тяжести

Замечание 1

Сила тяжести является одним из случаев проявления действия гравитационных сил.

Силу тяжести представляют в виде такой силы, которая действует на тело со стороны планеты и придает ему ускорение свободного падения.

Свободное падение можно рассмотреть в виде $mg = G\frac{mM}{r^2}$, откуда получаем формулу ускорения свободного падения:

$g = G\frac{M}{r^2}$.

Формула определения силы тяжести будет выглядеть следующим образом:

${\overline{F}}_g = m\overline{g}$

Сила тяжести имеет определенный вектор распространения. Он всегда направлен вертикально вниз, то есть по направлению к центру планеты. На тело действует силы тяжести постоянно и это означает, что оно совершает свободное падение.

Траектория движения при действии силы тяжести зависит от:

• модуля начальной скорости объекта;
• направления скорости движения тела.

С этим физическим явлением человек сталкивается ежедневно.

Силу тяжести можно также представить в виде формулы $P = mg$. При ускорении свободного падения учитываются также дополнительные величины.

Если рассматривать закон всемирного тяготения, который сформулировал Исаак Ньютон, все тела обладают определенной массой. Они притягиваются друг к другу с силой. Ее назовут гравитационной силой.

$F = G\frac{m_1m_2}{r^2}$

Эта сила прямо пропорциональна произведению масс двух тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

$G = 6,7\cdot {10}^{-11}\ {H\cdot m^2}/{{kg}^2\ }$, где $G$ - это гравитационная постоянная и она имеет по международной системе измерений СИ постоянное значение.

Определение 1

Весом называют силу, с которой тело действует на поверхность планеты после возникновения силы тяжести.

В случаях, когда тело находится в состоянии покоя или равномерно движется по горизонтальной поверхности, тогда вес будет равен силе реакции опоры и совпадать по значению с величиной силы тяжести:

При равноускоренном движении вертикально вес будет отличаться от силы тяжести, исходя из вектора ускорения. При направлении вектора ускорения в противоположную сторону возникает состояние перегрузки. В случаях, когда тело вместе с опорой двигаются с ускорением $а = g$, тогда вес будет равен нулю. Состояние с нулевым весом называют невесомостью.

Напряженность поля тяготения высчитывается следующим образом:

$g = \frac{F}{m}$

Величина $F$ - сила тяготения, которая действует на материальную точку массой $m$.

Тело помещается в определенную точку поля.

Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия двух материальных точек, имеющих массы $m_1$ и $m_2$, должны находиться на расстоянии $r$ друг от друга.

Потенциал поля тяготения можно найти по формуле:

$\varphi = \Pi / m$

Здесь $П$ - потенциальная энергия материальной точки с массой $m$. Она помещена в определенную точку поля.

Законы силы трения

Замечание 2

Сила трения возникает при движении и направлена против скольжения тела.

Статическая сила трения будет пропорциональна нормальной реакции. Статическая сила трения не лежит в зависимости от формы и размеров трущихся поверхностей. От материала тел, которые соприкасаются и порождают силу трения, зависит статический коэффициент трения. Однако законы трения нельзя назвать стабильными и точными, поскольку часто наблюдаются в результатах исследований различные отклонения.

Традиционное написание силы трения предполагает использование коэффициента трения ($\eta$), $N$ – сила нормального давления.

Также выделяют внешнее трение, силу трения качения, силу трения скольжения, вязкую силу трения и другие виды трения.

Закон силы упругости

Сила упругости равна жёсткости тела, которую помножили на величину деформации:

$F = k \cdot \Delta l$

В нашей классической формуле силы по поиску силы упругости главное место занимают величины жесткости тела ($k$) и деформации тела ($\Delta l$). Единицей измерения силы является ньютон (Н).

Подобная формула может описать самый простой случай деформации. Его принято называть законом Гука. Он гласит, что при попытке любым доступным способом деформировать тело, сила упругости будет стремиться вернуть форму объекта в первоначальный вид.

Для понимания и точного процесса описания физического явления вводят дополнительные понятия. Коэффициент упругости показывает зависимость от:

• свойств материала;
• размеров стержня.

В частности, выделяют зависимость от размеров стержня или площади поперечного сечения и длины. Тогда коэффициент упругости тела записывают в виде:

$k = \frac{ES}{L}$

В такой формуле величина $E$ является модулем упругости первого рода. Также ее называют модулем Юнга. Она отражает механические характеристики определенного материала.

При проведении расчётов прямых стержней применяется запись закона Гука в относительной форме:

$\Delta l = \frac{FL}{ES}$

Отмечается, что применение закона Гука будет носить эффективный характер только при относительно небольших деформациях. Если идет превышение уровня предела пропорциональности, то связь между деформациями и напряжениями становится нелинейной. Для некоторых сред закон Гука нельзя применять даже при небольших деформациях.