Примери за взаимодействие на тела от живота. Взаимодействие на телата във физиката

>> Взаимодействие на телата

Защо Луната се движи около Земята, а не лети в открития космос? Кое тяло се нарича заредено? Как заредените тела взаимодействат едно с друго? Колко често срещаме електромагнитно взаимодействие? Това са само част от въпросите, които трябва да разгледаме в този параграф. Да започваме!

1. Уверете се, че телата си взаимодействат

В ежедневието ние постоянно се сблъскваме с различни видове влияния на едни тела върху други. За да отворите вратата, трябва да „действате“ върху нея с ръка; ударът на крака ви кара топката да лети във вратата; дори когато седнете на стол, вие действате върху нея (фиг. 1.35, p 38).

В същото време, когато отворим вратата, усещаме удара й върху ръката си, ефектът на топката върху крака ни е особено забележим, ако играете футбол боси, а ефектът на стола ни предпазва от падане на пода. Тоест едно действие винаги е взаимодействие: ако едно тяло действа върху друго, тогава другото тяло действа върху първото.

Ориз. 1.35. Примери за взаимодействие между телата

Ясно се вижда, че действието не е едностранно. Направете прост експеримент: докато стоите на кънки, леко натиснете приятеля си. В резултат не само вашият приятел ще започне да се движи, но и вие самият ще започнете да се движите.

Тези примери потвърждават заключението на учените, че в природата винаги имаме работа с взаимодействие, а не с едностранно действие.

Нека разгледаме по-подробно някои видове взаимодействия.

2. Не забравяйте за гравитационното взаимодействие

Защо всеки предмет, било то молив, пуснат от ръка, листо от дърво или капка дъжд, пада и се движи надолу (фиг. 1.36)? Защо стрела, изстреляна от лък, не лети право, а накрая пада на земята? Защо Луната се движи около Земята? Причината за всички тези явления е, че Земята привлича други тела към себе си и тези тела също привличат Земята към себе си. Например, гравитацията на Луната причинява приливи и отливи на Земята (фиг. 1.37). Нашата планета и всички други планети в Слънчевата система се привличат към Слънцето и една към друга.

Ориз. 1.36. Дъждовните капки падат под въздействието на земната гравитация

През 1687 г. изключителният английски физик Исак Нютон (фиг. 1.38) формулира закон, според който има взаимно привличане между всички тела във Вселената.

Ориз. 1.37. Приливите и отливите са следствие от гравитацията на Луната

Това взаимно привличане на материални обекти се нарича гравитационно взаимодействие. Въз основа на експерименти и математически изчисления Нютон установява, че интензивността на гравитационното взаимодействие се увеличава с увеличаване на масите на взаимодействащите тела. Ето защо е лесно да се убедим, че ние с теб сме привлечени от Земята, но изобщо не усещаме привличането на съседа по бюро.

3. Запознаване с макромагнитното взаимодействие

Има и други видове взаимодействия. Например, ако натриете балон с парче коприна, той ще започне да привлича различни леки предмети: влакна, оризови зърна, парчета хартия (фиг. 1.39). За такава топка се казва, че е наелектризирана или заредена.

Заредените тела взаимодействат помежду си, но естеството на тяхното взаимодействие може да бъде различно: те се привличат или отблъскват (фиг. 1.40).

Ориз. 1.38. Известният английски учен Исак Нютон (1643-1727)

Първите сериозни изследвания на това явление са извършени от английския учен Уилям Гилбърт (1544-1603) в края на 16 век.

Ориз. 1.39. Наелектризирана топка привлича лист хартия

Ориз. 1.40. Две заредени топки взаимодействат една с друга: а - привличат се; б - отблъскване

Гилбърт нарече взаимодействието между заредените тела електрически (от гръцката дума elektron - кехлибар), тъй като древните гърци забелязаха, че кехлибарът, ако се търка, започва да привлича малки предмети към себе си.

Знаете добре, че стрелката на компаса, ако се остави да се върти свободно, винаги спира с единия край, сочещ на север, а другия на юг (фиг. 1.41). Това се дължи на факта, че стрелката на компаса е магнит, нашата планета Земя също е магнит, и то огромен, а два магнита винаги взаимодействат един с друг. Вземете всеки два магнита и щом се опитате да ги приближите един до друг, веднага ще почувствате привличане или отблъскване. Това взаимодействие се нарича магнитно.

Физиците са открили, че законите, описващи електрическите и магнитните взаимодействия, са еднакви. Следователно в науката е обичайно да се говори за едно електромагнитно взаимодействие.

Ние се сблъскваме с електромагнитни взаимодействия буквално на всяка крачка - в края на краищата, когато вървим, ние взаимодействаме с пътната настилка (отблъскваме се) и естеството на това взаимодействие е електромагнитно. Благодарение на електромагнитните взаимодействия ние се движим, седим и пишем. Ние също виждаме, чуваме, помирисваме и докосваме с помощта на електромагнитно взаимодействие (фиг. 1.42). Работата на повечето съвременни устройства и домакински уреди се основава на електромагнитно взаимодействие.

Нека кажем нещо повече: съществуването на физически тела, включително теб и мен, би било невъзможно без електромагнитно взаимодействие. Но какво общо има взаимодействието на заредени топки и магнити с всичко това? - ти питаш. Не бързайте: като изучавате физика, определено ще се убедите, че тази връзка съществува.

4. Изправени сме пред неразрешени проблеми

Нашето описание ще бъде непълно, ако не споменем още два вида взаимодействия, открити едва в средата на миналия век.

Ориз. 1.41 Стрелката на компаса винаги е ориентирана на север

Ориз. 1.42 Виждаме, чуваме, разбираме благодарение на електромагнитното взаимодействие

Те се наричат силни и слаби взаимодействия и действат само в рамките на микрокосмоса. По този начин има четири различни типа взаимодействия. Много ли е? Разбира се, би било много по-удобно да се работи с един универсален тип взаимодействие. Освен това вече има пример за комбиниране на различни взаимодействия - електрически и магнитни - в едно електромагнитно.

В продължение на много десетилетия учените се опитват да създадат теория за такова обединение. Някои стъпки вече са предприети. През 60-те години на 20-ти век беше възможно да се създаде теория за така нареченото електрослабо взаимодействие, в рамките на което бяха комбинирани електромагнитни и слаби взаимодействия. Но пълното („велико“) обединение на всички видове взаимодействие е все още далече. Затова всеки от вас има шанс да направи научно откритие със световно значение!

Нека обобщим

Взаимодействието във физиката е действието на тела или частици едно върху друго. Накратко описахме два вида взаимодействие от четирите, известни на науката: гравитационно и електромагнитно.

Привличането на телата към Земята, планетите към Слънцето и обратно са примери за проява на гравитационно взаимодействие.

Пример за електрическо взаимодействие е взаимодействието на електрифициран балон с парчета хартия. Пример за магнитно взаимодействие е взаимодействието на стрелка на компас със Земята, която също е магнит, в резултат на което единият край на стрелката винаги сочи на север, а другият на юг.

Електрическите и магнитните взаимодействия са прояви на едно електромагнитно взаимодействие.

Контролни въпроси

1. Дайте примери за взаимодействие между телата.

2. Какви видове взаимодействия съществуват в природата?

3. Дайте примери за гравитационно взаимодействие.

4. Кой откри закона, според който има взаимно привличане между всички тела във Вселената?

5. Дайте примери за електромагнитно взаимодействие.

Упражнение

Напишете кратко есе на тема „Моят опит, потвърждаващ взаимодействието на телата“ (дори може да е поезия!).

Физика и технологии в Украйна

Лев Василиевич Шубников (1901-1945) прекарва значителна част от краткия си живот в Харков, където ръководи нискотемпературната лаборатория. Нивото на точност на много измервания в лабораторията не беше по-ниско от съвременните. В лабораторията през 30-те години кислородът, азотът и други газове са получени в течна форма. Шубников е основател на изследването на металите в така нареченото свръхпроводящо състояние, когато електрическото съпротивление на материала е нула. Най-голямата награда за един учен е, когато името на открития от него феномен се използва вместо технически термин от името на самия учен. „Ефект на Шубников-де Хаас”; „фаза на Шубников“; „Методът на Обреймов-Шубников” са само няколко примера за приноса на известния украински учен в изграждането на съвременната физика.

Физика. 7 клас: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. - X.: Издателство "Ранок", 2007. - 192 с.: ил.

За да може едно тяло да почива или да се движи равномерно и праволинейно, върху него или не е необходимо да се въздейства изобщо, или трябва да се въздейства така, че да се компенсира общото действие на всички тела. Дойде време да разберем какво трябва да се случи, за да започне тялото да променя скоростта, тоест да придобие ускорение. За да направите това, ще трябва да запомните някои физически величини, които срещнахме в уроците по физика в предишни класове.

Както е известно, скоростта на едно тяло се променя само ако върху него действа друго тяло. Например свободното падане на тежест в резултат на действието на Земята върху нея. При падане скоростта се увеличава, което означава, че нейната промяна се дължи на това действие (фиг. 1).

Ориз. 1. Свободно падане

Но в същото време скоростта на второто тяло също се променя. Опитайте се да се отблъснете на леда от приятел, който стои до вас. Ще забележите, че вашият приятел също ще започне да се движи. Телата си взаимодействат. Няма такова нещо като едностранно действие.

За да се характеризира взаимодействието на телата, е необходимо да се въведе физическо количество, такова количество е силата.

сила -това е векторно количество, което характеризира действието на едно тяло върху друго (взаимодействието на телата). Силата е мярка за взаимодействие. Единицата за сила в SI е нютон.

N (нютон)

Тъй като тялото изпитва ускорение в резултат на действието на сила, е необходимо да се установи връзка между ускорението, което тялото е придобило, и силата, която е причинила това ускорение.

Ако се прилагат сили с различни величини върху количка, върху която е монтирана специална конструкция с окачена тежест (фиг. 2), която се отклонява при ускоряване на количката, можете да забележите, че деформацията на тежестта ще се увеличи с увеличаване на приложената сила. Тоест ускорението, което едно тяло придобива в резултат на действието на сила върху него, е правопропорционално на големината на тази сила (фиг. 3). Ускорението е насочено в същата посока като силата.

Ориз. 2. Изследване на връзката между силата и ускорението на тялото

Ориз. 3. Ускорението, което тялото придобива в резултат на сила, действаща върху него, е право пропорционално на големината на тази сила

Ускорението зависи и от телесното тегло.

Ако промените масата на количката (фиг. 4), към която се прилага постоянна сила, ще забележите, че деформацията на тежестта намалява с увеличаване на масата. Тоест ускорението е обратно пропорционално на масата на тялото.

Ориз. 4. Ускорението, което тялото придобива в резултат на действието на сила върху него, е обратно пропорционално на масата на това тяло

Вторият закон на Нютон съчетава двете изводи, получени по-горе.

Втори закон на Нютон: ускорение, придобито от тялото в резултат на действието на сила върху него Е, е право пропорционална на големината на тази сила и обратно пропорционална на масата на тялото.

Ако върху едно тяло действат няколко сили, тогава се намира резултатната от тези сили, тоест определена обща обща сила, която има определена посока и числена стойност. Тоест практически всички случаи на прилагане на различни сили в определен момент могат да бъдат сведени до действието на една резултантна сила.

РезултатТе наричат сила, която би придала на тялото същото ускорение като векторната сума на всички сили, действащи върху тялото.

По този начин, Втори закон на Нютонможе да се формулира така: резултатната от всички сили, действащи върху тялото, е равна на произведението от масата на тялото и ускорението, получено в резултат на действието на тези сили.

Видове взаимодействия във физиката

В природата има четири вида взаимодействия.

1. Гравитационен(гравитационна сила) е взаимодействието между телата, които имат маса. Той е значителен в мащаба на космическите тела. Например, ние чувстваме привличането си към Земята, тъй като тя има огромна маса, но не чувстваме привличането към масата, стола и други тела с относително малка маса.

2. Електромагнитна. Съставът на всеки атом включва заредени частици, следователно такова взаимодействие е фундаментално и ние го срещаме винаги и навсякъде. Това е електромагнитното взаимодействие, което е отговорно за такива механични сили като силата на триене (фиг. 5) и еластичната сила.

Ориз. 5. Природата на силата на триене

С увеличаване на междумолекулното разстояние силите на междумолекулно привличане и отблъскване намаляват - само силите на привличане намаляват по-бавно от силите на отблъскване - следователно възникват общи еластични сили, които са насочени към междумолекулните сили на привличане (фиг. 6).

Ориз. 6. Природата на еластичната сила

В сравнение с гравитационното, електромагнитното взаимодействие е много по-силно, но за разлика от първото е валидно за тела с електрически заряд.

3. Силен. Това взаимодействие е открито преди около 100 години. Тогава учените започнаха да се чудят как протоните, които са положително заредени и са част от ядрото, се задържат там (фиг. 7), защото еднакво заредените тела трябва да се отблъскват. Силната сила задържа протоните в ядрото. Това взаимодействие е с малък обсег, т.е. действа на разстояние от порядъка на размера на ядрото.

Ориз. 7. Силната сила задържа протоните в ядрото

4. слаб. Такова взаимодействие е отговорно за някои видове взаимодействия между елементарните частици, за някои видове β-разпад и за други процеси, протичащи вътре в атома, атомното ядро (фиг. 8).

Ориз. 8. Алфа, бета и гама разпад

Много физици смятат, че в природата има едно общо взаимодействие, а горните взаимодействия са само негови проявления и се опитват да получат така наречената единна теория на полето, в която всички тези четири вида ще бъдат сведени до един. В момента е възможно да се комбинират електромагнитни, силни и слаби взаимодействия.

Втори закон на Нютон в НСО. Центробежна сила

Законите на Нютон се изпълняват в инерционни отправни системи, но е възможно да се постигне, че тези закони ще бъдат изпълнени и в неинерциални отправни системи (NSF).

Учените се съгласиха да вярват, че в NSO, в допълнение към обичайните сили, отговорни за появата на ускорение в тялото, има инерционни сили - специален вид сила. Те са свързани с ускорението, с което една неинерциална система се движи спрямо инерционна.

В NSO вторият закон на Нютон приема следната форма:

където е ускорение в неинерциална отправна система; - инерционна сила

където е абсолютното ускорение на инерциалната отправна система

В NSO третият закон на Нютон относно инерционните сили не е изпълнен.

Пример за инерционна сила е центробежна сила. При рязък завой на автомобила човек се притиска в седалка. От гледна точка на този човек, върху него действа центробежна сила, а от гледна точка на наблюдател на земята, човекът продължава да се движи по инерция, докато столчето на колата има тенденция да се завърти (фиг. 9).

Ориз. 9. Центробежна сила

Как да намерим резултантната сила

Резултат (резултант)е сила, чийто резултат е еквивалентен на общото действие на всички сили, приложени към тялото (фиг. 10).

Ориз. 10. Намиране на резултата

Не е задължително силите да се увеличават взаимно. Представете си, че карате шейна през зимата (фиг. 11). В първата ситуация силите, които вашите приятели предоставят, се сумират. Във втория един от приятелите не иска да се откаже от шейната и я дърпа в другата посока. В този случай модулите на силата се изваждат.

Ориз. 11. Илюстрация например

Нека разгледаме пример, когато силите са насочени не по една права линия, а в различни посоки. На фиг. 11 показва тяло, което се намира върху наклонена равнина и се задържа върху нея поради действието на триенето. В допълнение към тази сила, тялото се влияе от силата на гравитацията () и силата на реакция на земята (). Ако тялото е в равновесно положение, тогава векторната сума на всички сили е равна на нула, т.е. резултатът е равен на нула.

Следователно ускорението, което тялото придобива, също е нула.

Ориз. 11. Сили, действащи върху тялото

Библиография

Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Соцки. Физика 10. - М.: Образование, 2008.
А.П. Римкевич. Физика. Проблемник 10-11. - М .: Дропла, 2006.
О.Я. Савченко. Проблеми по физика. - М.: Наука, 1988.
А.В. Перишкин, В.В. Крауклис. Курс по физика. Т. 1. - М.: Държава. учител изд. мин. образование на РСФСР, 1957г.

Интернет портал Studopedia.org ().
Интернет портал Abitura.com ().
Интернет портал School-collection.edu.ru ().
Интернет портал Class-fizika.narod.ru ().
Интернет портал Fizika-lekcii.ucoz.ua ().

Домашна работа

Според класическата физика в света, който познаваме, телата и частиците постоянно взаимодействат помежду си. Дори да наблюдаваме обекти в покой, това не означава, че нищо не се случва. Благодарение на задържащите сили между молекулите, атомите и елементарните частици можете да видите обект под формата на материя на физическия свят, който е достъпен и разбираем за нас.

Взаимодействие на телата в природата и живота

Както знаем от собствен опит, когато паднеш върху нещо, удариш нещо, сблъскаш се с нещо, това се оказва неприятно и болезнено. Бутате кола или невнимателен минувач се блъска в вас. По един или друг начин вие взаимодействате със света около вас. Във физиката това явление се определя като „взаимодействие на телата“. Нека разгледаме подробно на какви типове ги разделя съвременната класическа наука.

Видове взаимодействие между телата

В природата има четири вида взаимодействие между телата. Първото, добре известно, е гравитационното взаимодействие на телата. Масата на телата определя колко силна е гравитацията.

Трябва да е достатъчно голям, за да го забележим. В противен случай наблюдението и записването на този тип взаимодействие е доста трудно. Космосът е мястото, където могат да се наблюдават гравитационните сили на примера на космически тела с огромна маса.

Връзка между гравитацията и телесната маса

Пряко енергията на взаимодействие между телата е право пропорционална на масата и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Това е според дефиницията на съвременната наука.

Привличането на вас и всички обекти на нашата планета се дължи на факта, че съществува сила на взаимодействие между две тела с маса. Следователно обект, хвърлен нагоре, се привлича обратно към повърхността на Земята. Планетата е доста масивна, така че силата на действие е забележима. Гравитацията предизвиква взаимодействието на телата. Масата от тела позволява проявяването и регистрирането му.

Природата на гравитацията не е ясна

Естеството на това явление днес предизвиква много спорове и спекулации; освен действителното наблюдение и видимата връзка между маса и привличане, силата, причиняваща гравитацията, не е идентифицирана. Въпреки че днес се провеждат редица експерименти, свързани с откриването на гравитационни вълни в космическото пространство. Едно по-точно предположение беше направено от Алберт Айнщайн.

Той формулира хипотезата, че гравитационната сила е продукт на кривината на тъканта на пространство-времето от телата, разположени в нея.

Впоследствие, когато пространството е изместено от материята, то се стреми да възстанови своя обем. Айнщайн предположи, че има обратна връзка между силата и плътността на материята.

Пример за ясна демонстрация на тази зависимост са черните дупки, които имат невероятна плътност на материята и гравитация, които могат да привличат не само космически тела, но и светлина.

Именно благодарение на влиянието на природата на гравитацията силата на взаимодействие между телата осигурява съществуването на планети, звезди и други космически обекти. В допълнение, въртенето на някои обекти около други е налице по същата причина.

Електромагнитни сили и прогрес

Електромагнитното взаимодействие на телата донякъде напомня на гравитационното взаимодействие, но много по-силно. Взаимодействието на положително и отрицателно заредени частици е причината за неговото съществуване. Всъщност това причинява появата на електромагнитно поле.

Той се генерира от тялото(ата) или се абсорбира или предизвиква взаимодействието на заредени тела. Този процес играе много важна роля в биологичната активност на живата клетка и преразпределението на веществата в нея.

Освен това, ярък пример за електромагнитното проявление на силите е обикновеният електрически ток, магнитното поле на планетата. Човечеството използва тази сила доста широко за предаване на данни. Това са мобилни комуникации, телевизия, GPRS и много други.

В механиката това се проявява под формата на еластичност и триене. Ясен експеримент, демонстриращ наличието на тази сила, е известен на всички от училищния курс по физика. Това е триене на ебонитов рафт с копринен плат. Частиците с отрицателен заряд, които се появяват на повърхността, осигуряват привличане на леки обекти. Ежедневен пример е гребен и коса. След няколко движения на пластмасата през косата между тях възниква привличане.

Заслужава да се спомене компаса и магнитното поле на Земята. Стрелката е магнетизирана и има краища с положително и отрицателно заредени частици, в резултат на което тя реагира на магнитното поле на планетата. Обръща своя „положителен” край по посока на отрицателните частици и обратно.

Малък по размер, но огромен по сила

Що се отнася до силното взаимодействие, неговата специфика донякъде напомня електромагнитния тип сили. Причината за това е наличието на положително и отрицателно заредени елементи. Подобно на електромагнитната сила, наличието на противоположни заряди води до взаимодействие на телата. Масата на телата и разстоянието между тях са много малки. Това е област от субатомния свят, където такива обекти се наричат частици.

Тези сили действат в областта на атомното ядро и осигуряват комуникация между протони, електрони, бариони и други елементарни частици. Предвид техния размер, в сравнение с големите обекти, взаимодействието на заредените тела е много по-силно, отколкото при електромагнитния тип сила.

Слаби сили и радиоактивност

Слабият тип взаимодействие е пряко свързан с разпадането на нестабилни частици и се съпровожда от освобождаване на различни видове радиация под формата на алфа, бета и гама частици. По правило вещества и материали с подобни характеристики се наричат радиоактивни.

Този вид сила се нарича слаба поради факта, че е по-слаба от електромагнитните и силните видове взаимодействие. То обаче е по-мощно от гравитационното взаимодействие. Разстоянията в този процес между частиците са много малки, от порядъка на 2·10−18 метра.

Фактът на откриване на силата и определянето й сред основните се случи съвсем наскоро.

С откриването през 1896 г. от Анри Бекерел на явлението радиоактивност на веществата, по-специално на уранови соли, започва изследването на този тип взаимодействие на силите.

Четири сили създадоха Вселената

Цялата Вселена съществува благодарение на четири основни сили, открити от съвременната наука. Те са родили пространството, галактиките, планетите, звездите и различни процеси във вида, в който го наблюдаваме. На този етап дефиницията на основните сили в природата се счита за завършена, но може би с течение на времето ще научим за наличието на нови сили и знанието за природата на Вселената ще стане една стъпка по-близо до нас.

Взаимодействие на телата

Можете да дадете произволен брой примери за взаимодействие на тялото. Когато вие, докато сте в лодка, започнете да дърпате друго въже, вашата лодка със сигурност ще се движи напред. Действайки на втората лодка, вие я принуждавате да действа на вашата лодка.

Ако ритате футболна топка, веднага ще почувствате ритника обратно на крака си. Когато две билярдни топки се сблъскат, те променят скоростта си, т.е. И двете топки получават ускорение. Всичко това е проява на общия закон за взаимодействие между телата.

Действията на телата едно върху друго имат характер на взаимодействие не само при пряк контакт на телата. Поставете например два силни магнита с различни полюси един срещу друг върху гладка маса и веднага ще откриете, че те ще започнат да се движат един към друг. Земята привлича Луната (универсална гравитация) и я принуждава да се движи по извита траектория; на свой ред Луната също привлича Земята (също силата на всемирната гравитация). Въпреки че, естествено, в референтната рамка, свързана със Земята, ускорението на земята, причинено от тази сила, не може да бъде открито директно, то се проявява под формата на приливи и отливи.

Нека разберем чрез експеримент как са свързани силите на взаимодействие между две тела. Груби измервания на силите могат да бъдат направени с помощта на следните експерименти:

1 опит. Нека вземем два динамометъра, закачим куките им един за друг и като държим пръстените, ще ги опънем, като следим показанията на двата динамометъра.

Ще видим, че за всяко разтягане показанията на двата динамометъра ще бъдат еднакви; Това означава, че силата, с която първият динамометър действа върху втория, е равна на силата, с която вторият динамометър действа върху първия.

2 опит. Нека вземем достатъчно силен магнит и железен прът и ги поставим върху ролките, за да намалим триенето на масата. Закрепваме еднакви меки пружини към магнита и щангата, като другите им краища се закачат за масата. Магнитът и щангата ще се привличат взаимно и ще разтягат пружините.

Опитът показва, че докато движението спре, пружините се разтягат еднакво. Това означава, че еднакви по големина и противоположни по посока сили действат върху двете тела от страната на пружините.

Тъй като магнитът е в покой, силата е равна по големина и противоположна по посока на силата, с която блокът действа върху него.

По същия начин силите, действащи върху блока от магнита и пружината, са еднакви по големина и противоположни по посока.

Опитът показва, че силите на взаимодействие между две тела са еднакви по големина и противоположни по посока дори и в случаите, когато телата се движат.

3 опит. Двама души A и B стоят на две колички, които могат да се търкалят по релси.Те държат краищата на въжето в ръцете си. Лесно е да се установи, че без значение кой дърпа въжето, А или Б, или и двете, количките винаги започват да се движат едновременно и освен това в противоположни посоки. Чрез измерване на ускоренията на количките може да се провери, че ускоренията са обратно пропорционални на масите на всяка от количките (включително на човека). От това следва, че силите, действащи върху количките, са еднакви по големина.

Първият закон на Нютон. Инерциални референтни системи

Като първи закон на динамиката Нютон приема закона, установен от Галилей: материалната точка поддържа състояние на покой или равномерно линейно движение, докато влиянието на други тела не я изведе от това състояние.

Първият закон на Нютон показва, че покой или равномерно линейно движение не изисква никакви външни влияния, за да го поддържа. Това разкрива особено динамично свойство на телата, наречено тяхната инертност.

Съответно първият закон на Нютон се нарича закон за инерцията, а движението на тялото при липса на влияния от други тела се нарича движение по инерция.

Механичното движение е относително: неговият характер за едно и също тяло може да бъде различен в различни отправни системи, движещи се една спрямо друга. Например, астронавт на борда на изкуствен спътник на Земята е неподвижен в референтната система, свързана със спътника. В същото време по отношение на Земята той се движи заедно със спътника по елиптична орбита, т.е. не равномерно или право.

Следователно е естествено първият закон на Нютон да не се изпълнява във всяка референтна система. Например топка, лежаща на гладкия под на корабна кабина, която се движи праволинейно и равномерно, може да започне да се движи по пода без влияние върху нея от каквито и да е тела. За да направите това, достатъчно е скоростта на кораба да започне да се променя.

Отправната система, по отношение на която дадена материална точка, свободна от външни влияния, е в покой или се движи равномерно и праволинейно, се нарича инерциална отправна система. Съдържанието на първия закон, първият закон на Нютон, по същество се свежда до две твърдения: първо, че всички тела имат свойството инерция и второ, че има инерционни референтни системи.

Всякакви две инерциални отправни системи могат да се движат една спрямо друга само постъпателно и освен това равномерно и праволинейно. Експериментално е установено, че хелиоцентричната отправна система е практически инерционна, чийто начало се намира в центъра на масата на Слънчевата система (приблизително в центъра на Слънцето), а осите са начертани в посока на три отдалечени звезди, избрани например така, че координатните оси да са взаимно перпендикулярни.

Лабораторната референтна система, чиито координатни оси са твърдо свързани със Земята, не е инерционна главно поради ежедневното въртене на Земята. Земята обаче се върти толкова бавно, че максималното нормално ускорение на точките на нейната повърхност по време на дневно въртене не надвишава 0,034 м. Следователно в повечето практически задачи лабораторната референтна система може приблизително да се счита за инерционна.

Инерционните отправни системи играят специална роля не само в механиката, но и във всички други клонове на физиката. Това се дължи на факта, че според принципа на относителността на Айнщайн, математическият израз на всеки физически закон трябва да има еднаква форма във всички инерционни отправни системи.

Силата е векторна величина, която е мярка за механичното въздействие върху въпросното тяло от други тела. Механичното взаимодействие може да възникне както между директно контактуващи тела (например по време на триене, когато телата се притискат едно към друго), така и между отдалечени тела. Специална форма на материя, която свързва частиците на материята в единични системи и предава действието на една частица на друга с крайна скорост, се нарича физическо поле или просто поле.

Взаимодействието между отдалечени тела се осъществява чрез създаваните от тях гравитационни и електромагнитни полета (например привличането на планети към Слънцето, взаимодействието на заредени тела, проводници с ток и др.). Механичното въздействие върху дадено тяло от други тела се проявява по два начина. Той е в състояние да предизвика, първо, промяна в състоянието на механичното движение на въпросното тяло и второ, неговата деформация. И двете прояви на сила могат да служат като основа за измерване на силите. Например, измерване на сила с помощта на пружинен динамометър, базиран на закона на Хук за надлъжно напрежение. Използвайки понятието сила в механиката, обикновено говорим за движение и деформация на тяло под въздействието на приложени към него сили.

В този случай, разбира се, всяка сила винаги съответства на някакво тяло, действащо върху разглеждания обект с тази сила.

Силата F е напълно определена, ако са дадени нейната величина, посока в пространството и точка на приложение. Правата, по която е насочена силата, се нарича линия на действие на силата.

Поле, действащо върху материална точка със сила F, се нарича стационарно поле, ако не се променя във времето t, т.е. ако във всяка точка на полето силата F не зависи изрично от времето:

За да бъде полето неподвижно, е необходимо телата, които го създават, да са в покой спрямо инерционната референтна система, използвана при разглеждане на полето.

Едновременно действие на няколко сили върху материална точка M е еквивалентно на действието на една сила, наречена резултантна или резултатна сила и равна на тяхната геометрична сума.

Представлява затварящия многоъгълник на силите

Тегло. Пулс

В класическата механика масата на материална точка е положителна скаларна величина, която е мярка за инерцията на тази точка. Под въздействието на сила материалната точка не променя скоростта си моментално, а постепенно, т.е. придобива крайно ускорение, което е толкова по-малко, колкото по-голяма е масата на материалната точка. За да се сравнят масите на две материални точки, е достатъчно да се измерят модулите и ускоренията, придобити от тези точки под действието на същата сила:

Обикновено телесното тегло се определя чрез претегляне на лостова скала.

В класическата механика се смята, че:

а) Масата на материална точка не зависи от състоянието на движение на точката, тъй като е нейна постоянна характеристика.

б) Масата е адитивна величина, т.е. масата на система (например тяло) е равна на сумата от масите на всички материални точки, които са част от тази система.

в) Масата на затворена система остава непроменена по време на всички процеси, протичащи в тази система (закон за запазване на масата).

Плътността ρ на тялото в дадена точка M е съотношението на масата dm на малък елемент от тялото, включително точка M, към стойността dV на обема на този елемент:

Размерите на разглеждания елемент трябва да са толкова малки, че чрез промяна на плътността в нейните граници междумолекулните разстояния да бъдат многократно по-големи.

Едно тяло се нарича хомогенно, ако плътността е еднаква във всички негови точки. Масата на хомогенно тяло е равна на произведението на неговата плътност и обем:

Маса на разнородно тяло:

където ρ е функция на координатите, а интегрирането се извършва по целия обем на тялото. Средната плътност (ρ) на нехомогенно тяло е съотношението на неговата маса към обема: (ρ)=m/V.

Центърът на масата на система от материални точки се нарича точка С, чийто радиус вектор е равен на:

където и са масата и радиус векторът на i-тата материална точка, n е общият брой материални точки в системата, а m= е масата на цялата система.

Скорост на центъра на масата:

Векторно количество, равно на произведението на масата на материална точка и нейната скорост, се нарича импулс или импулс на тази материална точка. Импулсът на система от материални точки е векторът p, равен на геометричната сума от импулсите на всички материални точки на системата:

Импулсът на системата е равен на произведението на масата на цялата система и скоростта на нейния център на масата:

Втори закон на Нютон

Основният закон на динамиката на материална точка е вторият закон на Нютон, който говори за това как механичното движение на материална точка се променя под въздействието на сили, приложени към нея. Вторият закон на Нютон гласи: скоростта на промяна на импулса ρ на материална точка е равна на силата F, действаща върху нея, т.е.

където m и v са масата и скоростта на материалната точка.

Ако няколко сили действат едновременно върху материална точка, тогава силата F във втория закон на Нютон трябва да се разбира като геометрична сума от всички действащи сили - както активни, така и сили на реакция, т.е. резултатна сила.

Векторната величина F dt се нарича елементарен импулс на сила F за кратко време dt от нейното действие. Импулсът на сила F за краен период от време от до е равен на определен интеграл:

където F, като цяло, зависи от времето t.

Според втория закон на Нютон, промяната в импулса на материална точка е равна на импулса на силата, действаща върху нея:

dp = F dt и ,

Където – стойността на импулса на материалната точка в края () и в началото () на разглеждания период от време.

Тъй като в Нютоновата механика масата m на материална точка не зависи от състоянието на движение на точката, тогава

Следователно математическият израз на втория закон на Нютон също може да бъде представен във формата

където е ускорението на материална точка, r е нейният радиус вектор. Съответно формулировката на втория закон на Нютон гласи: ускорението на материална точка съвпада по посока със силата, действаща върху нея и е равно на съотношението на тази сила към масата на материалната точка.

Тангенциалното и нормалното ускорение на материала се определят от съответните компоненти на силата F

където е големината на вектора на скоростта на материалната точка, а R е радиусът на кривината на нейната траектория. Силата, която придава нормално ускорение на материална точка, е насочена към центъра на кривината на траекторията на точката и следователно се нарича центростремителна сила.

Ако върху една материална точка действат едновременно няколко сили , след това неговото ускорение

Където . Следователно всяка от силите, действащи едновременно върху материална точка, й придава същото ускорение, както ако няма други сили (принципът на независимост на действието на силите).

Диференциалното уравнение на движението на материална точка се нарича уравнение

В проекции върху осите на правоъгълна декартова координатна система това уравнение има формата

където x, y и z са координатите на движещата се точка.

Третият закон на Нютон. Преместване на центъра на масата

Механичното действие на телата едно върху друго се проявява под формата на тяхното взаимодействие. Това се доказва от третия закон на Нютон: две материални точки действат една върху друга със сили, които са числено равни и насочени в противоположни посоки по правата линия, свързваща тези точки.

Ако е силата, действаща върху i-тата материална точка от k-тата страна, и е силата, действаща върху k-тата материална точка от i-тата страна, тогава според третия закон на Нютон,

Силите се прилагат към различни материални точки и могат да бъдат взаимно балансирани само в случаите, когато тези точки принадлежат към едно и също абсолютно твърдо тяло.

Третият закон на Нютон е съществено допълнение към първия и втория закон. Тя ви позволява да преминете от динамиката на отделна материална точка към динамиката на произволна механична система (система от материални точки). От третия закон на Нютон следва, че във всяка механична система геометричната сума на всички вътрешни сили е равна на нула:

където n е броят на материалните точки, включени в системата, и .

Векторът, равен на геометричната сума на всички външни сили, действащи върху системата, се нарича главен вектор на външните сили:

където е резултантната на външните сили, приложени към i-тата материална точка.

От втория и третия закон на Нютон следва, че първата производна по време t на импулса p на механична система е равна на главния вектор на всички външни сили, приложени към системата,

Това уравнение изразява закона за промяна на импулса на системата.

Тъй като , където m е масата на системата, а е скоростта на нейния център на масата, тогава законът за движение на центъра на масата на механична система има формата

, или ,

където е ускорението на центъра на масата. По този начин центърът на масата на механична система се движи като материална точка, чиято маса е равна на масата на цялата система и върху която действа сила, равна на главния вектор на външните сили, приложени към системата.

Ако разглежданата система е твърдо тяло, което се движи постъпателно, тогава скоростите на всички точки на тялото и неговия център на маса са еднакви и равни на скоростта v на тялото. Съответно, ускорението на тялото и основното уравнение за динамиката на постъпателното движение на твърдо тяло имат формата

Твърди, че в инерционните системи ускорението на тялото е пропорционално на приложената сила, физическа величина, която е количествена мярка за взаимодействие. Големината на силата, характеризираща взаимодействието на телата, може да се определи, например, чрез деформация на еластично тяло, допълнително въведено в системата, така че взаимодействието с него напълно компенсира първоначалното. Коефициент на пропорционалност...

Големината и посоката на всички сили, действащи в една механична система, както и масата на материалните тела, от които тя се състои, и нейното поведение във времето могат да бъдат изчислени с пълна точност. Именно вторият закон на Нютон придава особеното очарование на цялата класическа механика - започва да изглежда така, сякаш целият физически свят е устроен като най-прецизния хронометър и нищо в него не убягва на окото...

195. На масата има книга. С какви тела взаимодейства? Защо книгата е в покой?
Книга, лежаща на масата, взаимодейства със Земята и масата. Той е в покой, защото тези взаимодействия са балансирани.

196. Взаимодействието на кои тела определя движението на облаците; стрела, изстреляна от лък; снаряд в дулото на пистолета при изстрел; въртене на крилата на вятърна турбина?
Взаимодействието на водните капки, влизащи в облака, с въздушните течения и Земята.
Взаимодействие с тетивата на лъка, земята и въздуха.
Взаимодействие с газове, образувани в резултат на експлозия на барут, цевта на пистолета, приклада и Земята.
Взаимодействие на крилата на мелницата с входящия въздушен поток.

197. Дайте 3-5 имена на тела, в резултат на взаимодействие с които топката може да се движи (или да промени посоката на движението си).
Крак на футболист, тенис ракета, голф стик, бейзболна бухалка, въздушен поток.

198. Какво ще се случи с пружина, окачена на нишки, ако резбата AB, която я компресира, се изгори с кибрит (фиг. 38)?
Действието на резбата A B върху пружината ще спре и тя ще се отпусне и ще започне да се движи.

199. Защо е трудно за пожарникаря да държи пожарникарския маркуч, от който блика вода?
Дължи се на феномена на отката.

200. Защо тръбата се отклонява, когато водата изтича от нея (фиг. 39)?
В резултат на взаимодействието на течащата вода и тръбата, последната ще започне да се движи.

201. Защо тръбата не се отклонява, ако парче картон, прикрепено към тръбата, се постави на пътя на водата, изтичаща от нея (вижте задача 200), както е показано на фигура 40?
Взаимодействието между тръбата и водата се балансира от взаимодействието между картона и тръбата и така тръбата остава в покой.

202. Защо съд, окачен на нишка, се върти, когато водата изтича (фиг. 41)?
Водният поток, изтичащ от тръбите, действа върху стените на тръбите. В резултат на това съдът се върти.

203. Колбата е окачена на конец (фиг. 42). Ще остане ли колбата в покой, когато водата в нея кипи силно? Обяснете явлението.
Не. вижте № 202.

204. В някои паркове на детски площадки се монтират дървени цилиндри (барабани), въртящи се на хоризонтална ос. В каква посока и кога детето тича по него?
Детето се избутва от цилиндъра и то се движи в обратна посока.

205. Рибата може да се движи напред, като изхвърля струи вода с хрилете си. Обяснете това явление.
Този принцип на движение се нарича реактивен. Водата, изхвърлена от хрилете на рибата, действа върху рибата, която поради това започва да се движи.

206. Каква е целта на ципестите крака при водолюбивите птици?
Краката с ципи позволяват по-голямо взаимодействие между вода и птица.

207. Защо при стрелба прикладът на пушката трябва да е плътно притиснат към рамото?
Разхлабеният приклад може да причини нараняване на рамото в резултат на откат.

208. Защо снарядът и пистолетът получават различни скорости при изстрел?
Масата на оръдието е многократно по-голяма от масата на снаряда и съответно скоростта на оръдието ще бъде многократно по-малка от скоростта на снаряда.

209. Момче скача от натоварен шлеп на брега. Защо движението на шлепа в посока, обратна на скока, е незабележимо?
Масата на шлепа е много по-голяма от масата на момчето и в резултат скоростта на пистолета е практически нула.

210. На еднакво разстояние от брега има лодка с товар и същата лодка без товар. От коя лодка се скача по-лесно на брега? Защо?
По-лесно се скача от натоварена лодка, защото има по-голяма маса.

211. а) В компресирано състояние пружината на стойката се държи с резба (фиг. 43, а). Ако конецът е изгорен в точка А, пружината ще излети. Посочете взаимодействието на кои тела предизвиква движението на пружината.
б) Ако, например, топка първо се постави върху пружината, тогава тя ще започне да се движи. Взаимодействието на кои тела ще предизвика движението на топката?
в) На лявата количка има куб от желязо, на дясната - от дърво (фиг. 43, б). Между количките е поставена пружина, натисната с резба. Ако конецът е изгорен, количките ще се движат. Коя количка ще има най-висока скорост? Защо?
а) Взаимодействието на пружината, опората и резбата.
б) Взаимодействието на пружина, нишка, топка и опора.
в) m1v1 = m2v2. Това означава, че количка с дървен блок ще получи по-голяма скорост, тъй като има по-малка маса.

212. Лявата количка (виж задача 211, в) е придобила скорост 4 cm/s, дясната - 60 cm/s. Коя количка тежи повече и с колко пъти?

213. Каква е масата на лявата количка (виж задача 212), ако масата на дясната количка е 50 g?

214. Пешеходец с тегло 90 kg се движи със скорост 3,6 km/h, а куче с тегло 7,5 kg бяга със скорост 12 m/s. Намерете съотношението на импулсите на пешеходеца и кучето.

215. а) В края на пружината е закрепена стоманена пластина (фиг. 44). Пружината се държи в компресирано състояние от резба. Ако изгорите нишката, пружината се изправя и стоманената плоча едновременно удря топките, които лежат на масата. Масите на топките са еднакви, но са направени от различни метали (алуминий, олово, стомана). От какъв метал са направени топка 1, топка 2 и топка 3? (На фигурата позицията на всяка топка след удара е обозначена с пунктирана линия.)
б) Между количките се поставя пружина, компресирана с помощта на резба (виж фиг. 43, б). Ако нишката е изгорена, тогава в резултат на взаимодействие с пружината количките ще започнат да се движат. Как ще се различават скоростите, придобити от количките, ако масата на лявата количка е 7,5 kg, а на дясната количка е 1,5 kg?

216. Между количките е поставена пружина, чиито краища са завързани с конец, както е показано на фигура 45. На количките има съдове с пясък. Когато нишката беше изгорена, дясната количка придоби по-голяма скорост от лявата. Как може да се обясни това?
Лявата количка е по-тежка от дясната.

217. Каква е масата на дясната количка (виж задача 216), ако тя е придобила 0,5 пъти по-голяма скорост от лявата количка, чиято маса с товара е 450 g?

218. Момчето избира въже, а лодките се приближават една към друга в езерото (фиг. 46). Коя от две еднакви лодки придобива по-голяма скорост в момента на приближаване една към друга? Защо?
Лявата лодка има по-голяма скорост, защото е по-лека от дясната, в която седи детето.

219. При взаимодействие на две колички техните скорости се променят на 20 и 60 cm/s. Масата на по-голямата количка е 0,6 кг. Каква е масата на по-малката количка?

220. Еднакви сили са били приложени към топките, лежащи на масата за същия период от време. В този случай топка с тегло 3 kg придобива скорост 15 cm/s. Каква скорост придобива топката от 1 kg?

221. Момче с тегло 45 кг скочи на брега от неподвижна надуваема лодка с тегло 30 кг. В същото време лодката придобива скорост 1,5 m/s спрямо брега. Каква е скоростта на момчето спрямо лодката?

222. Момче с маса 46 kg е скочило на брега със скорост 1,5 m/s от неподвижен сал с тегло 1 т. Каква скорост е придобил салът спрямо брега?

223. Могат ли две първоначално неподвижни тела в резултат на взаимодействие едно с друго да придобият числено равни скорости?
Могат, при условие че масите им са равни.

224. Въздухът под буталото на помпата беше компресиран. Промени ли се масата на въздуха?
Въздушната маса не се е променила.

225. Тежестта беше спусната в съд с вода. Промени ли се масата на тежестта?
Масата на тежестта не се е променила.

226. Докато се състезават в теглене на въже, две момчета теглят въже в различни посоки, като всяко прилага сила от 500 N върху него. Ще се скъса ли въже, ако може да издържи сила на опън от само 800 N?
Той няма да се спука, тъй като върху него действа сила от само 500 N.

227. Ще се промени ли масата на водата, когато част от нея се превърне в лед или пара?
Масата му ще се промени с количество, равно на масата на лед или пара.