Механічні сили; Базові знання фізики
Ви можете впізнати сили за ефектами, які вони виробляють. Якщо тіло деформується або швидкість змінюється, причина завжди є силою. Однак сили можуть діяти і без зміни стану руху тіла або без його (видимої) деформації. У цьому випадку кілька одночасно діючих сил виключають одна одну ("взаємодія кількох сил").
При стрільбі з лука струна натягується, а лук пружно деформується. Якщо відпустити струну, натяг лука прискорює стрілу.
Закони Ньютона¶
Три коротко представлені нижче принципи становлять основу класичної механіки.Вперше вони були записані в цій формі в 1687 році Ісааком Ньютоном.
1-й закон Ньютона ("закон інерції")
Для зміни стану руху, тобто для прискорення, завжди потрібна сила. Причина цього полягає у так званій «інерції», властивості кожного тіла протистояти прискоренню завдяки своїй масі. Спочатку Галілео Галілей та Ісаак Ньютон сформулювали цей закон приблизно так:
Коли тіло рухається прямолінійно з фіксованою швидкістю, величина та напрямок руху залишатимуться незмінними, поки сила не змінить свій рух. Той факт, що ми звикли до цього в повсякденному житті, що предмети без прискорюючих сил у якийсь момент самі відпочивають, зумовлений силами тертя, яких ніколи неможливо повністю уникнути, та опором повітря. Однак у космосі, в якому немає тертя через відсутність речовини, планети обертаються навколо свого сонця протягом багатьох мільйонів років, не втрачаючи швидкості.
Гальмування тіла також відповідає (негативному) прискоренню і відповідно вимагає сили.
2-й закон Ньютона ("закон сили")
Причиною прискорення або деформації зазвичай називають силу. Кількісний зв’язок між величиною сили та спричиненим нею прискоренням вперше описаний Ісааком Ньютоном у вигляді математичного рівняння.
Розмір сили пропорційний прискоренню, яке тіло маси відчуває через нього: [2]
(1) ¶
Напрямок прискорення відповідає напрямку прискорюючої сили.
Сили наведені в одиниці Ньютона:
Тіло маси відчуває прискорення силою .
Це стосується простору, вакууму та, як правило, коли немає тертя. Фактичне прискорення може бути значно меншим на практиці через сили тертя.
відповідає вазі важкого тіла на землі.
Маса переживань вагою навколо на землі. При вільному падінні земля здійснює на вас прискорення навколо (точніше:).
Сили називаються відповідно до їх причини (м’язова сила, магнітна сила, рухова сила тощо) або відповідно до їх дії (сила розтягування, сила стиснення, рушійна сила, сила деформації тощо).
| сили | Кількість сили в |
| Вага звичайного листа | |
| Вага плитки шоколаду | |
| Вага одного літра води | |
| Вага одного кілограма цукру | |
| Вага людини | |
| Тягова сила автомобіля | |
| Тягова сила локомотива | |
| Притягання землі до Місяця |
Третій закон Ньютона ("сила та протидія")
Кожна сила має однаково велику контрсилу. Сила і контрсила мають протилежні напрямки і діють на різні тіла - вони не можуть відмінити один одного.
На нитці висить гиря. Нитка запобігає падінню зразка. У ньому є сила, яка така ж велика, як вага тіла. Обидві сили різняться за своїм напрямком. Сила в нитці та вага мають протилежні напрямки, вони виключають один одного за своїм ефектом.
Сила та протидія на підвісну гирю.
Якщо різьба перерізана, тіло рухається по прямій лінії з постійним прискоренням за рахунок гравітаційного тяги землі (опором повітря нехтують). Оскільки всі сили діють взаємно, тіло також притягує землю. Земля «падає» до тіла - але ефект настільки малий, що ми цього не помічаємо.
Сума, лінія дії та точка атаки¶
Для того, щоб мати можливість передбачити дію сили, потрібно не тільки знати величину («величину») сили, але й знати, в який момент вона діє і в якому напрямку вона діє.
Вектор сили чітко визначається величиною, лінією дії та точкою прикладання.
У системах координат і кресленнях сили зазвичай представлені стрілками ("вектори"). Застосовується наступне:
- Довжина стрілки вказує на величину сили в певному масштабі (наприклад). Вибір масштабу є довільним, але він повинен однаково стосуватися всіх сил на кресленні.
- Початкова точка стрілки така ж, як і точка прикладання сили.
- Напрямок стрілки відповідає лінії дії сили.
Вектор сили може бути зміщений за необхідності вздовж лінії дії з відповідною передачею сили, не змінюючи нічого у фізичному впливі сили.
Передача потужності за допомогою мотузки, стрижня та ланцюга
У багатьох випадках корисно дозволити силі діяти "здалеку", тобто перемістити точку прикладання вздовж лінії дії.
- Сили розтягування можна перенести на інше тіло за допомогою мотузок і ланцюгів,
- За допомогою прутків - і певною мірою також з дротами - як сили розтягування, так і сили стиску можуть бути передані іншому корпусу.
Зубчасті колеса та рейки зазвичай використовуються в трансмісіях для передачі потужності.
Деформація та еластичність¶
Окрім швидкості, сили можуть також змінювати форму тіла. Залежно від матеріалу тіла деформації можливі двома шляхами:
У разі пружного процесу деформація тіла відступає, коли сила деформування стихає. Типовим еластичним матеріалом є каучук, але багато металів (наприклад, сталь) також надають пружний ефект, якщо зусилля не надто велике.
Приклад: Гумовий кулька повертається до початкової форми, коли на нього вже не діють сили.
У процесі пластики деформація залишається, коли сила вже не діє. Типовими пластичними матеріалами є ліпка для ліплення, віск, глина, свинець тощо.
Приклад: Залишилася деформація стиснутої кулі з воску або ліпильної глини.
Немає тканини, яка була б повністю еластичною або абсолютно нееластичною. Якщо діють лише невеликі сили, мідь, наприклад, поводиться пружно. З великими силами він поводиться пластично.
Вимірювання сили¶
Деформуючий ефект сили часто використовується для вимірювання механічної сили. Наприклад, чим більше ви крутите гвинтову пружину або розриваєте її, тим більший натяг, з яким пружина протистоїть деформації. Якщо на пружині є відповідна шкала, сила, що діє на неї, може бути відчитана безпосередньо. Оскільки пружину неможливо розтягнути за власним бажанням, існують пружинні динамометри з різною твердістю пружини та масштабами, які підходять для різних діапазонів вимірювання.
Приклад пружинного динамометра.
У разі рухомих тіл, наприклад автомобілів, силу можна визначити за зміною швидкості руху кузова - однак для цього повинна бути відома маса тіла. Якщо виміряти зміну швидкості і час, необхідний для цього, ви можете розрахувати прискорення і, вставивши його в рівняння (1), отримаєте ефективну силу:
Очевидні сили¶
За допомогою законів Ньютона рух тіла можна адекватно описати в системі відліку в стані спокою або в системі відліку, яка знаходиться прямо з постійною швидкістю (так звана "інерційна система"). Однак у прискореній системі відліку для опису рухів необхідно враховувати так звані «видимі сили».
Наприклад, якщо ви знаходитесь у постійно рухливому або нерухомому вагоні поїзда і кидаєте м'яч вертикально у повітря, він знову приземляється у вашій руці. Однак, якщо поїзд прискорюється після того, як м'яч залишив руку, то з точки зору метателя, що прискорюється поїздом, здається, він відходить від руки під час польоту. Отже, поки для зовнішнього спостерігача поїзд віддаляється з-під кулі, яка рухається рівномірно в горизонтальному напрямку, спостерігач у поїзді повинен думати про силу на м’ячі, яка протилежна прискоренню поїзда, щоб мати можливість правильно передбачити рух м’яча.
Сила, яка виникає лише в прискореній системі відліку, називається видимою силою. Він дорівнює добутку маси прискореного об'єкта та прискорення, яке дорівнює прискоренню системи відліку, але діє в зворотному напрямку:
Важливою видимою силою є інерційна сила, яка виникає, наприклад, коли транспортні засоби розганяються або гальмують. Особливим випадком цього ефекту інерції є відцентрова сила при круговому русі. Інерційні сили також використовуються в технічних додатках, коли велике зусилля досягається швидким гальмуванням предмета, наприклад при забиванні, натисканні тощо.
Якщо спостерігач і об'єкт, що спостерігається, перебувають у прискореній системі відліку, вони будуть відчувати те саме прискорення, що і сам об'єкт.З точки зору цього спостерігача, об'єкт знаходиться в стані спокою або рухається з постійною швидкістю; сили, що діють на об'єкт, дорівнюють нулю з точки зору спостерігача, що прискорюється.
З точки зору нерухомого спостерігача, динаміка об'єкта (порівняно з перспективою співприскореного спостерігача) відрізняється лише силою інерції. Таким чином, у системі відліку в стані спокою до сил, що діють на об’єкт, повинно застосовуватися:
Це рівняння названо на честь його першовідкривача і його зазвичай називають принципом Д’Аламбера. Він може використовуватися для відстеження динамічних процесів до умов статичної рівноваги і, отже, для легшого їх обчислення.
У математичних позначеннях це означає, що вектор швидкості тіла залишається незмінним, коли сума всіх діючих сил дорівнює нулю:
Для цього розділу є експерименти та вправи .