Зависимость веса тел от географической широты местности.

 

Географической широтой местности называют угол между радиусом Земли, проведенным в рассматриваемую точку и экваториальной плоскостью (рис. 41).

 

На тело, покоящееся относительно Земли, действует сила гравитационного

Притяжения, направленная к центру Земли, и реакция поверхности. Реакция отклоняется от нормали к поверхности на угол a, чтобы равнодействующая реакции поверхности Земли R и гравитационной силы давала центростремительную силу, обеспечивающую нормальное ускорение при вращении тела вместе с поверхностью Земли.

Силу, равную по величине реакции и противоположно ей направленную, называют весом тела.

В системе, связанной с Землей, тело покоится, поэтому необходимо ввести центробежную силу инерции.

 

 

Из силового треугольника, представленного на рис.42, можно определить величину веса тела на географической широте j и угол отклонения a силы веса тела от радиуса Земли.

Центробежная сила инерции равна:

 

С учетом этого получим:

т.е

Так как угол a мал, а, получим окончательно:

 

 

 

Угол отклонения a легко определить из рис.42.

 

Как видно из (167) и (168), вес тела максимален на полюсах и минимален на экваторе. Отклонение силы веса от радиуса Земли максимально на широте p/4 и равно нулю на полюсах и экваторе.

Силы трения. Сухое трение.

Силы трения скольжения.

Сухим (внешним) трением называют силы сопротивления движению, возникающие при относительном движении одного твердого тела по поверхности другого. Силы сопротивления движению определяются наличием микро- и макронеровностей поверхностей трущихся тел и взаимодействием между ними. При скольжении одной твердой поверхности по другой в плоскости соприкосновения тел возникают силы, направленные противоположно относительной скорости. Эти силы и называют силами трения скольжения. Основные законы и закономерности для сил трения скольжения получены опытным путем. Закон Кулона определяет величину сил трения скольжения:

где: F тр - сила трения скольжения, N - нормальная составляющая реакции поверхности, k -коэффициент трения скольжения.

Коэффициент трения скольжения k является безразмерной величиной и определяется природой и состоянием поверхностей трущихся тел.

Кроме закона Кулона опытным путем установлен ряд закономерностей для трения скольжения среди которых наиболее часто употребляются следующие:

1. При попытке сдвинуть одно тело по поверхности другого в плоскости контакта возникают силы, сопротивления, изменяющиеся от нуля до предельного значения, называемого силой трения покоя.

2. С увеличением относительной скорости трущихся тел силы - трения сначала убывает, а затем начинают возрастать.

3. Силы трения тем меньше, чем тверже трущиеся поверхности.

Силы трения качения.

Трение качения возникает при качении одного твердого тела по поверхности другого. При попытке сдвинуть тело по поверхности другого в плоскости соприкосновения возникает

сила препятствующая этому (рис. 43).

 

 

 

Положим, что оба тела являются абсолютно твердыми, недеформируемыми, В этом случае нормальная составляющая реакции проходит через точку касания и центр масс катка (считаем его однородным симметричным телом, например, цилиндром). При такой модели любая по величине сила может вызвать качение катка, т.е. сопротивление движению.

 

не возникает. Более того, сила должна вызывать угловое ускорение при любой по величине силе , что противоречит опыту.

Сопротивление качению может возникать в том случае, если нормальная реакция смещается относительно вертикального диаметра катка в сторону движения. Это происходит в том случае, если давление катка на поверхность будет не в точке, а по участку поверхности, а интенсивность давления будет больше впереди вертикального диаметра катка, как показано на рис. 44.

Рис.44

Следовательно, поверхность должна деформироваться, причем деформации будут несимметричными относительно вертикального диаметра.

Положим, что сила вызывает равномерное качение катка, т.е.

Откуда

(190)

Здесь (коэффициент трения качения) является размерной величиной. Смысл его- ''плечо'' нормальной составляющей реакции поверхности.

Вязкое трение

Вязкое трение возникает при относительном движении слоёв жидкости или газа. Основные законы вязкого трения получены опытным путём.

Ньютон установил, что если под действием силы площадка площади движется равномерно со скоростью относительно площадки (рис.45),

Рис.45

На подвижную площадку действуют силы сопротивления движению (силы вязкого трения):

(191)

где - расстояние между площадками (слоями), - коэффициент вязкого трения определяемая свойствами вязкой среды, заполняющей промежуток между площадками.

При движении тел в вязкой среде на них действуют силы сопротивления движению.

Стокс получил выражение для этих сил. При малых скоростях.

(192)

где: - стоксова сила сопративления, - плотность среды, - скорость тела, -коэффициент, определяемый геометрией тела, - площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения.

10.4. Движение тел в сопротивляющейся среде.

При достаточно больших скоростях тел (или если форма тела является плохо обтекаемой) силы Стокса становятся пропорциональны квадрату скорсти:

(193)

Положим, что тело начинает падать под действием силы тяжести в сопротивляющейся среде. Пренебрегая силой Архимеда, запишем:

(194)

С течением времени скорость тела возрастает, возрастает и сила Стокса. Наконец, силы тяжести и Стокса уравновешиваются, после чего начинается равномерное движение тела с установившейся скоростью . Определим зависимость скорости от проходимого телом пути и значение установившейся скорости. Для этого сначала преобразуем (194):

Обозначим:

Тогда:

Или:

(195)

Интегрируя (195), получим:

(196)

Константу интегрирования находим из начальных условий (x=0 и =0):

(197)

Подставив (197) в (196) получим

Или:

Откуда:

(198)

Через достаточно большой промежуток времени () скорость тела перестаёт изменяться. Следовательно, значение установившейся скорости равно

(199)

(178) и (179) и дают искомое решение поставленной задачи.

 

Упругость.

Упругие силы.

Упругостью называют свойство восстанавливать времменно утраченную форму и объём, а деформациями- само изменение формы и объёма тела. Причиной упругости является наличие одновременно присутствующих сил взаимодействия между частицами тела- притяжения () и отталкивания (). Равнодействующая этих сил равна:

(200)

На рис.46 представлены графики силы взаимного отталкивания (1), притяжения (2) и равнодействующая этих сил (3). На расстоянии между взаимодействующими частицами равнодействующая равна нулю (положение равновесия). При < преобладают силы отталкивания, а при > силы притяжения.

Потенциальная энергия взаимодействия на расстоянии между частицами:

(201)

где:

, .

Графики потенциальной энергии сил отталкивания (1), притяжения (2) и равнодействующей (3) представлены на рис.47:

 

 

Рис.46 Рис.47