Інертність. Поняття маси тіла, її зв’язок зі швидкістю.

Звертаю вашу увагу на терміни інерція та інертність. Дехто думає, що це одне і те ж саме. Але хоч ці два слова близькі по звучанню, вони не є синонімами, вони мають різний зміст. Що таке інертність пояснимо за допомогою демонстрації.

Демонстрація

Давайте дослідимо рух двох візків різної маси.

– Чи з однаковою швидкістю рухаються візки після взаємодії?

– Як залежить швидкість руху від маси візків?

Як бачимо з проведеного досліду, та й з нашого повсякденного досвіду, внаслідок взаємодії різні тіла зазнають певної зміни швидкості за неоднакові інтервали часу: одні за більші, інші – за менші. Рух тіла, яке повільно змінює швидкість руху, більше нагадує рух за інерцією, тому кажуть, що воно більш інертне. Часу взаємодії (який однаковий для обох тіл) йому не вистачило, щоб змінити свою швидкість на стільки, на скільки змінило друге тіло. Тобто тілу більш інертному потрібно більше часу, щоб змінити швидкість на задану величину, ніж тілу менш інертному. Таким чином:

Інертність – властивість тіла, яка полягає у тому, що для зміни його швидкості під час взаємодії з будь-якими іншими тілами потрібний певний час.

Властивість інертності мають усі тіла.

Кількісною мірою інертності є маса тіла.

Маса тіла – це фізична величина, яка характеризує інертність тіла. Чим більша маса тіла, тим більш воно інертне.

Поняття маси — одне з найскладніших у фізиці. У міру вивчення цієї науки ви будете дедалі більш докладно знайомитися з цією фізичною величиною. Поки що ж ми повинні запам'ятати, що кожне фізичне тіло: Сонце, людина, краплина роси, мікрочастинка будь-якої речовини — має масу.

Існують різні методи визначення маси тіла. На практиці найзручнішим виявився метод вимірювання маси, пов'язаний з добре відомим явищем гравітаційної взаємодії всіх тіл із Землею. Ви всі добре знаєте, що всі тіла притягуються Землею. Якщо ми візьмемо в одну руку сірникову коробку, а в другу – дерев’яний брусок, то більше навантаження відчуємо у руці, яка тримає брусок, тобто він має більшу масу, оскільки сильніше притягується Землею.

Але якщо маси тіл близькі за значенням, то порівняти їх масу на руках неможливо. Тому для визначення маси тіла користуються спеціальними приладами, які називаються терезами. Серед них найпоширеніші і найпростіші — важільні. На цих терезах порівнюють взаємодію із Землею тіла й еталонних важків, покладених на шальки терезів. На практиці застосовують також інші терези, які пристосовані до різних умов роботи і мають різні конструкції.

Визначення маси тіла за допомогою терезів називають зважуванням.

Маса тіла позначається латинською літерою m. За одиницю маси в СІ прийнято один кілограм.

m = 1 кг

Міжнародний зразок (еталон) кілограма зберігається в Міжнародному бюро мір і ваги у Франції, в м. Севрі, що поблизу Парижа. Він виготовлений з платиново-іридієвого сплаву і має форму циліндра діаметром і висотою 39 мм. За цим зразком з великою точність виготовлено копії для всіх країн світу.

Як і для інших одиниць вимірювання, для кілограма застосовують похідні одиниці:

1 г = 0,001 кг = 10 3 кг;

1 мг = 0,000001 кг = 10 6 кг;

1 т = 1000 кг = 103 кг;

1 ц = 100 кг = 102 кг.

Поняття сили.

Для характеристики взаємодії тіл введено силу.

Сила – це векторна фізична величина, яка характеризує механічну дію даного тіла на інше і є мірою цієї взаємодії.

Сила позначається символом F. Одиниця сили в СІ – Ньютон (Н).

Сила характеризується:

1) точкою прикладання;

2) числовим значенням (модулем);

3) напрямом.

Оскільки протягом взаємодії тіл може бути змінена швидкість руху, то силі приписують напрям, який збігається з напрямом прискорення, якого набуває тіло внаслідок взаємодії.

Кожну взаємодію двох тіл описують за допомогою двох сил. Вважають, що до кожного з двох тіл, які взаємодіють, прикладена сила з боку другого тіла. Оскільки обидві сили описують одну взаємодію, то природа цих сил та сама.

Види сил у механіці.

Механічні явища надзвичайно різноманітні, тому на перший погляд для їх опису необхідно дуже багато сил.

Але насправді усі механічні явища можна описати й пояснити за допомогою сил трьох видів:

1) сили всесвітнього тяжіння;

2) сили пружності;

3) сили тертя.

З усіма названими силами ми знайомилися у 8 – му класі, то давайте розберемо приклади дії сил і їх види:

- яблуко відірвавшись від гілки падає на землю.

(сила взаємодії яблука із землею – сила всесвітнього тяжіння)

- стріла вилітає з лука.

(сила взаємодії стріли і тятиви лука – сила пружності)

- людина робить крок по землі.

(сила взаємодії підошви взуття людини і землі – сила тертя)

Вимірювання сил

 

За допомогою якого приладу можна виміряти силу? Які динамометри ви знаєте?

1) Вимірювання сили за допомогою різних видів динамометрів.

2) Вимірювання сили за допомогою пружинного динамометра, до якого підвішуються тіла різної маси.

Ø Запитання до класу

1. Що відбувається з пружиною, коли ми підвішуємо тіло?

2. Які тіла взаємодіють у цьому випадку?

3. Як залежить розтягання пружини від маси тіла, що підвішують?

Явище пружної деформації покладено в основу приладів для вимірювання сили – динамометрів. (dіnа - сила; mеtrо -міряю). Будова динамометрів може бути різною, але принцип дії однаковий: у них використано властивість тіл видовжуватись або вигинатися при пружних деформаціях прямо пропорційна

до прикладеної сили.

Додавання сил. Рівнодійна

На тіло дуже рідко діє лише одна сила, найчастіше — дві або три. Якщо на тіло діє кілька сил, то результат їхньої дії буде таким, яким був би за умови дії на нього сили, яку називають рівнодійною.

Рівнодійна сила — це сила, дія якої заміняє дію кількох сил, що одночасно діють на тіло.

Рівнодійна дорівнює геометричній сумі сил, які діють на тіло. Оскільки рівнодійна сил — це також сила, то для її визначені треба вказати точку прикладання, напрям та модуль цієї сили.

Розглянемо найпростіший випадок, коли на тіло діють дві сили, напрямлені вздовж однієї прямої. Зауважимо, що при цьому ці сили можуть бути напрямлені як в один бік, так і в різні сторони. Обговоримо це докладніше.

Нехай, на тіло діють дві сили, напрямлені в один бік. При цьому рівнодійна сил:

1) має точку прикладання, яка збігається з точкою прикладання цих сил;

2) напрямлена в бік дії цих сил;

3) за модулем дорівнює сумі модулів цих сил

 

 

Нехай на тіло діють дві сили, напрямлені в різні боки.

При цьому рівнодійна сил:

1) має точку прикладання, яка збігається з точкою прикладання сили;

 

 

2) напрямлена в бік більшої за модулем сили;

3) за модулем дорівнює різниці модулів цих сил.

 

Якщо сили діють під кутом одна до одної, то рівнодійну знаходять, користуючись паралелограма або трикутника. Давайте пригадаємо байку Л.Глібова «Лебідь, щука і рак».

Лебідь, щука і рак.

У товаристві лад – усяк тому радіє;

дурне безладдя лихо діє,

і діло, як на гріх,

не діло – тільки сміх.

Колись – то Лебідь, Рак та Щука

приставить хуру узялись.

От троє разом запряглись,

смикнули – катма ходу …

Що за морока? Що робить?

А й не велика, бачся, штука, -

так Лебідь рветься підлетить,

Рак упирається, а Щука тягне в воду.

Хто винен з них, хто ні – судить не нам,

та тільки хура й досі там.

Згідно з байкою хура залишається нерухомою. Чи є це твердження правильним з точки зору фізики?

 

 

Двадцять друге жовтня

Класна робота

Закони динаміки. Перший закон Ньютона. Інерція.

Ньютон (1643 – 1727).Вклад І. Ньютона в розвиток науки

На пам’ятнику І.Ньютонові у Вестмінстерському абатстві в Лондоні, у цьому пантеоні великих людей Англії, висічені слова: Так зрадіють смертні, що серед них жила така прикраса роду людського».

Ми повинні з’ясувати, що є причиною зміни стану руху (швидкості), тобто що є причиною виникнення прискорення та чим визначається його модуль і напрям; встановити зв’язки між кінематичними характеристиками руху і причинами, що зумовлюють саме цей вид руху.

Приклади із повсякденного життя, які показують, що тіла самі по собі не змінюють своєї швидкості.

___Швидкість автомобіля після вимкнення двигуна зменшується поступово (тертя коліс об дорогу і опір повітря).

___Тіло перебуває у стані спокою доти, доки на нього не почнемо діяти з певною силою (штовхати, тягнути).

Всі приклади підтверджують: причиною зміни швидкості тіла є дія на нього інших тіл.

Визначивши роль системи відліку, сформулюємо перший закон Ньютона так: в інерційній системі відліку матеріальна точка зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, якщо на неї не діють інші тіла або дія зовнішніх тіл скомпенсована. Фізичний зміст першого закону Ньютона: тіло в інерційній системі відліку не може самовільно змінити свій стан спокою або рівномірного прямолінійного руху. Цей стан воно змінює лише під дією інших тіл. Отже, перший закон відображає причинно-наслідковий зв’язок явищ. Досвід показує, що жодне явище природи не може виникнути само по собі: воно виникає лише як наслідок іншого явища.

Суттєвим є те, що в ІСВ (наприклад, автобус на зупинці) для збереження спокою не потрібно докладати жодних зусиль, а в неінерційній системі відліку (наприклад, автобус в момент різкого гальмування) пасажирам для цього доводиться напружувати м’язи, тримаючись за поруччя. Аналізувати механічний рух і взаємодію тіл найлегше в ІСВ, тому надалі будемо використовувати саме такі системи відліку. Як випливає із першого закону Ньютона, за умов рівноваги всіх прикладених до тіла сил, воно рухається прямолінійно зі сталою швидкістю, як кажуть, «за інерцією». Тому цей закон іноді називають також законом інерції, вважаючи за «інертність» не млявість тіл, а їхню властивість зберігати стан свого руху, доки дія зовнішніх сил не змінить його.

Поступальний рух за інерцією відбувається нечасто. Прикладами тут може бути падіння парашутиста за умови зрівноваження сили тяжіння силою опору повітря, рівномірний рух транспорту по горизонтальній поверхні тощо.

Перший закон є узагальненням багатовікового досвіду людей і підтверджується у всіх своїх наслідках. Добре відома всім надзвичайна точність обчислень руху космічних кораблів, станцій, штучних супутників Землі й інших планет. Ці обчислення виконуються з урахуванням закону інерції, і їх точність є гарним підтвердженням першого закону Ньютона. Рух транспортних засобів обчислюється з урахуванням інертності тіл і підтверджується практикою. Такий збіг теорії і досвіду і для інших технічних обчислень свідчить про практичну дієвість першого закону Ньютона.

 

Четверте листопада

Класна робота

Другий закон Ньютона.

Другий закон механіки Ньютона встановлює зв’язок між кінематичними й динамічними величинами.

Найчастіше він формулюється так: прискорення, якого набуваєтіло піддією сили, прямо пропорційне силі, обернено пропорційне масі тіла і має той самий напрям, що й сила:

a=F/m

a– прискорення, F–рівнодійна сил, що діють на тіло, m–маса тіла.

Або так: сила, що діє на тіло, дорівнює добутку маси тіла на прискорення,

якого надає ця сила:

F=ma

Якщо на тіло діє не одна сила, а багато, то тоді R = ma, де R – рівнодійна сил/ Розмірності сили:

[ F ] = [ ma ] = (кг*м)/ с² = Н (ньютон)

Ньютон сформулював другий закон механіки дещо інакше, увівши поняття кількості руху. У сучасній фізиці його називають імпульсом тіла.

Кількість руху, або імпульс –дорівнює добутку маси тіла на його швидкість:

mv

Оскільки прискорення

a=v-v0/∆t, то m(v-v0)/∆t=F, звідси mv-mv0/∆t=F або ∆(mv)/∆t=F

У формулюванні Ньютона другий закон механіки стверджує: зміна кількості руху тіла пропорційна діючій силі і відбувається у напрямі прямої, вздовж якої ця сила діє.

∆(mv)/∆t=F

Другий закон механіки узагальнив важливий факт: дія сил не спричиняє самого руху, а лише змінює його; сила викликає зміну швидкості, тобто прискорення, а не саму швидкість.

Третій закон Ньютона

За третім законом механіки Ньютона сила є наслідком взаємодії двох і більше тіл. Коли одне тіло діє на друге, то обов'язково і друге тіло діє на перше, тобто якщо є «дія», то є й «протидія».

 

У разі взаємодії двох тіл відношення модулів їх прискорень дорівнює оберненому відношенню їх мас:

a1/a2=m2/m1 або m1/a1=m2/a2

Прискорення взаємодіючих тіл мають протилежні напрямки, тому у векторній формі можна записати:

m1/a1=-m2/a2

Добуток маси тіла на його прискорення дорівнює прикладеній до тіла силі. F1=m1a1 –сила, яка діє на перше тіло з боку другого тіла, F2=m2a2 –сила, яка діє на друге тіло з боку першого. Отже,F1=-F2

 

Одинадцяте листопада

Класна робота

Третій закон Ньютона. Межі застосування законів Ньютона.

Третій закон Ньютона: тіла взаємодіють одне з одним із силами, однаковими за модулем і протилежними за напрямком:

Третій закон Ньютона стверджує, що сили завжди «виникають» парами. Ці сили іноді називають силами дії та протидії. При цьому байдуже, яку з двох сил назвати силою дії, а яку — силою протидії.

Властивості сил, із якими тіла взаємодіють. Сили, з якими взаємодіють два тіла:

а) мають ту саму фізичну природу, оскільки зумовлені тією самою взаємодією;

б) однакові за модулем і спрямовані вздовж однієї прямої протилежно одна одній;

в) прикладені до різних тіл і тому не можуть компенсувати одна одну. Унаслідок цього не можна вважати, що сума сил, прикладених до кожного з взаємодіючих тіл, дорівнює нулю. Рівнодійну для сил можна шукати лише в тому разі, коли сили прикладені до одного тіла.

Застосування законів Ньютона. Відкриття законів руху дало можливість запорівняно невеликий час досягти значних успіхів у поясненні багатьох явищ навколишнього світу - від опису руху кинутого каменя чи яблука і до обчислення відхилень від законів Кеплера у русі планет під впливом інших планет.

Лише у випадку найпростіших типів сил рівняння Ньютона вдається розв’язати точно.

За допомогою законів механіки можна обчислити положення і швидкість тіла в будь-який момент часу за відомими силами і початковими умовами (пряма задача) або знайти сили за заданим рухом (обернена задача).

Задача 1. Нерухомий алюмінієвий візок зіткнувся зі стальним візком такого самого розміру, що рухався зі швидкістю 4 м/с. З якою швидкістю почав рухатися алюмінієвий візок? Стальний візок після зіткнення мав швидкість 2 м/с.

Задача 2. На тіло,що має масу2кг,діють сили10Н та20Н,кут між якимистановить 120⁰. Якого прискорення набуває тіло?

Задача 3. На тіло масою2кг,що лежить на горизонтальній дорозі,діє сила,піддією якої тіло за 30 с пройде відстань 500 м. Знайти величину сили.

 

 

Вісімнадцяте листопада

Класна робота

Гравітаційна взаємодія. Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння. Вага і невагомість. Штучні супутники Землі. Розвиток космонавтики

Теорія гравітації — теорія, створена Ньютоном, є підґрунтям сучасної науки. Упродовж сторіч розвитку цивілізації людства люди спостерігали явище взаємного притягання тіл і вимірювали його величину; вони намагалися поставити це явище собі на службу, подолати його вплив і останнім часом — розраховувати його з надзвичайною точністю під час перших кроків дослідження та осягнення Всесвіту.

Серед усіх сил, що існують у природі, сила тяжіння вирізняється, насамперед, тим, що має свої прояви всюди.

Гравітаційна взаємодія — це взаємодія, властива всім тілам у Всесвіті. Вона проявляється в їх взаємному притяганні одне до одного.

Гравітаційна взаємодія здійснюється за допомогою особливого виду матерії — гравітаційного поля.

Гравітаційне поле існує біля будь-якого тіла: зорі чи планети, людини чи книги, молекули чи атома. Гравітаційне поле можна виявити лише в тілах, що мають значну масу. Це означає, що гравітаційна взаємодія дуже слабка.