Взаємодія тіл приклади із життя. Взаємодія тіл у фізиці

>> Взаємодія тел

Чому Місяць рухається навколо Землі, а не відлітає до космічного простору? Яке тіло називається зарядженим? Як взаємодіють одне з одним заряджені тіла? Чи часто ми стикаємося з електромагнітною взаємодією? Це лише частина питань, з якими ми маємо розібратися в цьому параграфі. Почнемо!

1. Переконуємось, що тіла взаємодіють

У повсякденному житті ми постійно зустрічаємося з різними видами дій одних тіл на інші. Щоб відкрити двері, потрібно «подіяти» на неї рукою, від дії ноги м'яч летить у ворота, навіть сідаючи на стілець, ви дієте на нього (рис. 1.35, с. 38).

У той же час, відчиняючи двері, ми відчуваємо її вплив на нашу руку, дія м'яча на ногу особливо відчутна, якщо ви граєте у футбол босоніж, а дія стільця не дозволяє нам впасти на підлогу. Тобто дія завжди є взаємодією: якщо одне тіло діє інше, те й інше тіло діє перше.

Мал. 1.35. Приклади взаємодії тіл

Можна наочно переконатися, що дія немає одностороннім. Проведіть нескладний експеримент: стоячи на ковзанах, трохи штовхніть свого товариша. В результаті почне рухатись не тільки ваш товариш, але й ви самі.

Ці приклади підтверджують висновок вчених у тому, що у природі ми маємо справу з взаємодією, а чи не з одностороннім дією.

Розглянемо докладніше деякі види взаємодій.

2. Згадуємо про гравітаційну взаємодію

Чому будь-який предмет, чи це олівець, випущений із руки, лист дерева чи крапля дощу, падає, рухається вниз (рис. 1.36)? Чому стріла, випущена з лука, не летить прямо, а зрештою падає на землю? Чому Місяць рухається навколо Землі? Причина всіх цих явищ у тому, що Земля притягує себе інші тіла, а ці тіла також притягують себе Землю. Наприклад, тяжіння Місяця викликає Землі припливи (рис. 1.37). Наша планета та всі інші планети Сонячної системи притягуються до Сонця та одна до одної.

Мал. 1.36. Краплі дощу падають униз під дією тяжіння Землі

У 1687 році видатний англійський фізик Ісаак Ньютон (рис. 1.38) сформулював закон, згідно з яким між усіма тілами у Всесвіті існує взаємне тяжіння.

Мал. 1.37. Припливи є наслідком тяжіння Місяця

Таке взаємне тяжіння матеріальних об'єктів називають гравітаційною взаємодією. Спираючись на досліди та математичні розрахунки, Ньютон встановив, що інтенсивність гравітаційної взаємодії збільшується зі збільшенням мас тіл, що взаємодіють. Саме тому легко переконатись у тому, що нас з вами притягує Земля, але ми зовсім не відчуваємо тяжіння нашого сусіда по парті.

3. Знайомимося з макромагнітною взаємодією

Існують інші види взаємодій. Наприклад, якщо потерти повітряну кульку шматочком шовку, вона почне притягувати до себе різні легкі предмети: ворсинки, зернятка рису, листочки паперу (рис. 1.39). Про таку кульку кажуть, що вона наелектризована, або заряджена.

Заряджені тіла взаємодіють між собою, але їх взаємодії може бути різним: вони або притягуються, або відштовхуються один від одного (рис. 1.40).

Мал. 1.38. Відомий англійський вчений Ісаак Ньютон (1643-1727)

Вперше серйозні дослідження цього явища було проведено англійським вченим Вільямом Гільбертом (1544-1603) наприкінці XVI ст.

Мал. 1.39. Наелектризована кулька притягує до себе аркуш паперу

Мал. 1.40. Дві заряджені кульки взаємодіють між собою: а - притягуються; б - відштовхуються

Взаємодія між зарядженими тілами Гільберт назвав електричним (від грецьк. слова elektron - бурштин), оскільки ще давні греки помітили, що бурштин, якщо його потерти, починає притягувати себе дрібні предмети.

Ви добре знаєте, що стрілка компаса, якщо дати можливість вільно обертатися, завжди зупиняється так, що один її кінець вказує на північ, а інший - на південь (рис. 1.41). Це з тим, що стрілка компаса - магніт, наша планета Земля - теж магніт , причому величезний, а два магніти завжди взаємодіють друг з одним. Візьміть два будь-які магніти, і як тільки ви спробуєте наблизити їх один до одного, відразу відчуєте тяжіння або відштовхування. Така взаємодія називається магнітною.

Фізики встановили, що закони, що описують електричні та магнітні взаємодії, єдині. Тому в науці прийнято говорити про єдину електромагнітну взаємодію.

З електромагнітними взаємодіями ми зустрічаємося буквально на кожному кроці – адже при ходьбі ми взаємодіємо з покриттям дороги (відштовхуємось), і природа цієї взаємодії електромагнітна. Завдяки електромагнітним взаємодіям ми рухаємось, сидимо, пишемо. Бачимо, чуємо, нюхаємо та відчуваємо ми також за допомогою електромагнітної взаємодії (рис. 1.42). Дія більшості сучасних приладів та побутової техніки ґрунтується на електромагнітній взаємодії.

Скажімо більше: існування фізичних тіл, у тому числі й нас з вами, було б неможливим без електромагнітної взаємодії. Але як з усім цим пов'язана взаємодія заряджених кульок та магнітів? - Запитайте ви. Не поспішайте: вивчаючи фізику, ви обов'язково переконаєтеся, що цей зв'язок існує.

4. Стикаємося з невирішеними проблемами

Наш опис виявиться неповним, якщо ми не згадаємо ще два види взаємодій, які були відкриті лише в середині минулого століття.

Мал. 1.41 Стрілка компаса завжди зорієнтована північ.

Мал. 1.42 Бачимо, чуємо, розуміємо завдяки електромагнітній взаємодії

Вони називаються сильним і слабким взаємодії і діють тільки в межах мікросвіту. Таким чином, існують чотири різні види взаємодій. Чи не багато? Звичайно, було б набагато зручніше мати справу з єдиним універсальним видом взаємодії. Тим більше, що приклад об'єднання різних взаємодій - електричного і магнітного - єдине електромагнітне вже є.

Упродовж багатьох десятиліть вчені намагаються створити теорію такого об'єднання. Деякі кроки вже зроблено. У 60-х роках XX століття вдалося створити теорію так званої електрослабкої взаємодії, в рамках якої були об'єднані електромагнітна та слабка взаємодії. Але до повного («великого») поєднання всіх видів взаємодії ще далеко. Тому кожен з вас має шанс зробити наукове відкриття світового значення!

Підбиваємо підсумки

Взаємодіям у фізиці називається дія тіл чи частинок одна на одну. Ми коротко охарактеризували два види взаємодії з чотирьох, відомих науці: гравітаційну та електромагнітну.

Тяжіння тіл до Землі, планет до Сонця і навпаки - це приклади прояву гравітаційної взаємодії.

Прикладом електричної взаємодії є взаємодія наелектризованої повітряної кульки з листочками паперу. Прикладом магнітної взаємодії служить взаємодія стрілки компаса із Землею, яка також є магнітом, внаслідок чого один кінець стрілки завжди вказує на північ, а другий – на південь.

Електрична та магнітна взаємодії - це прояви єдиної електромагнітної взаємодії.

Контрольні питання

1. Наведіть приклади взаємодії тел.

2. Які види взаємодій існують у природі?

3. Наведіть приклади гравітаційної взаємодії.

4. Хто відкрив закон, згідно з яким між усіма тілами у Всесвіті існує взаємне тяжіння?

5. Наведіть приклади електромагнітної взаємодії.

Вправа

Напишіть короткий твір на тему "Мій досвід, що підтверджує взаємодію тіл" (це можуть бути навіть вірші!).

Фізика та техніка в Україні

Значну частину свого короткого життя Лев Васильович Шубніков (1901–1945) прожив у Харкові, де очолював лабораторію низьких температур. Рівень точності багатьох вимірів у лабораторії не поступався сучасному. У лабораторії у 30-х роках було отримано кисень, азот та інші гази в рідкому стані. Шубников був родоначальником дослідження металів у так званому надпровідному стані, коли електричне спрямування матеріалу дорівнює нулю. Найвища нагорода для вченого - це коли назви відкритого їм явища використовують замість технічного терміна прізвище самого вченого. «Ефект Шубнікова-де Гааза»; "фаза Шубнікова"; «Метод Обреімова-Шубнікова» - це лише кілька прикладів внеску відомого українського вченого у будівництво сучасної фізики.

фізика. 7 клас: Підручник/Ф. Я. Божинова, Н. М. Кірюхін, Є. А. Кирюхіна. – X.: Видавництво «Ранок», 2007. – 192 с.: іл.

Для того, щоб тіло спочивало або рухалося рівномірно і прямолінійно, на нього або взагалі не треба діяти, або діяти так, щоб сумарна дія всіх тіл була компенсована. Настав час розібратися, що має відбуватися для того, щоб тіло почало змінювати швидкість, тобто набуло прискорення. Для цього потрібно згадати деякі фізичні величини, з якими ми стикалися на уроках фізики в попередніх класах.

Як відомо, швидкість тіла змінюється лише, якщо на нього діє інше тіло. Наприклад, вільне падіння вантажу внаслідок дії Землі на нього. При падінні швидкість збільшується, отже, її зміна обумовлена цією дією (рис. 1).

Мал. 1. Вільне падіння

Але при цьому змінюється швидкість другого тіла. Спробуйте відштовхнутися на льоду від товариша, що стоїть поряд. Ви помітите, що ваш товариш почне рухатися. Тіла взаємодіють. Односторонньої дії немає.

Для характеристики взаємодії тіл необхідно ввести фізичну величину, такою є сила.

Сила -це векторна величина, яка характеризує дію одних тіл інші (взаємодія тіл). Сила – це міра взаємодії. Одиницею виміру сили у системі СІ є ньютон.

Н (ньютон)

Оскільки у тіла з'являється прискорення внаслідок дії сили, необхідно встановити зв'язок між прискоренням, яке придбало тіло, і силою, що викликала це прискорення.

Якщо до візка, де встановлено спеціальна конструкція з підвішеним грузиком (рис. 2), отклоняющемся при прискореному русі візка, прикладати сили різної величини, можна помітити, що відхилення грузика збільшиться зі збільшенням прикладеної сили. Тобто прискорення, яке тіло набуває в результаті дії на нього сили, прямо пропорційно до величини цієї сили (рис. 3). Прискорення спрямоване туди, куди й сила.

Мал. 2. Вивчення залежності між силою та прискоренням тіла

Мал. 3. Прискорення, яке тіло набуває внаслідок дії на нього сили, прямо пропорційне величині цієї сили

Прискорення залежить від маси тіла.

Якщо змінювати масу візка (рис. 4), до якого прикладається сила постійної величини, можна помітити, що відхилення грузика зменшується зі збільшенням маси. Тобто прискорення обернено пропорційно масі тіла.

Мал. 4. Прискорення, яке тіло набуває внаслідок дії на нього сили, обернено пропорційно масі цього тіла

Другий закон Ньютона поєднує два висновки, отримані вище.

Другий закон Ньютона: прискорення, що набуває тіло в результаті дії на нього сили F, прямо пропорційно величині цієї сили і обернено пропорційно масі тіла.

Якщо на тіло діють кілька сил, то знаходять рівнодіючу цих сил, тобто якусь загальну сумарну силу, що має певний напрямок і числове значення. Тобто практично всі випадки застосування різних сил у конкретний момент часу можна звести до дії однієї рівнодіючої сили.

Рівночинноюназивають таку силу, яка повідомляла тілу таке ж прискорення, як і векторна сума всіх сил, що діють на тіло.

Таким чином, другий закон Ньютонаможна сформулювати так: рівнодіюча всіх сил, що діють на тіло, дорівнює добутку маси тіла на прискорення, що набуває в результаті дії цих сил.

Види взаємодії у фізиці

У природі існують чотири види взаємодії.

1. Гравітаційне(сила тяжіння) - це взаємодія між тілами, які мають масу. Істотним воно є у масштабах космічних тіл. Наприклад, ми відчуваємо своє тяжіння до Землі, так як вона має величезну масу, але не відчуваємо тяжіння до столу, до стільця та інших тіл з порівняно невеликою масою.

2. Електромагнітне. До складу будь-якого атома входять заряджені частинки, отже, така взаємодія - фундаментальна і ми з нею зустрічаємося завжди і скрізь. Саме електромагнітна взаємодія відповідальна за такі механічні сили, як сила тертя (рис. 5) та сила пружності.

Мал. 5. Природа сили тертя

При збільшенні міжмолекулярної відстані сили міжмолекулярного тяжіння та відштовхування зменшуються – тільки сили тяжіння зменшуються повільніше, ніж сили відштовхування – тому виникають сумарні сили пружності, які спрямовані у бік міжмолекулярних сил тяжіння (рис. 6).

Мал. 6. Природа сили пружності

Порівняно з гравітаційним електромагнітна взаємодія значно сильніша, але, на відміну від першої, справедлива для тіл, які мають електричний заряд.

3. Сильне. Ця взаємодія була відкрита близько 100 років тому. Саме тоді вчені задумалися, яким чином протони, які позитивно заряджені і входять до складу ядра, утримуються там (мал. 7), адже однойменно заряджені тіла повинні відштовхуватися. Сильна взаємодія утримує протони у ядрі. Ця взаємодія короткодіє, тобто діє відстані порядку розміру ядра.

Мал. 7. Сильна взаємодія утримує протони в ядрі

4. Слабке. Така взаємодія відповідальна за деякі види взаємодії серед елементарних частинок, за деякі види β-розпаду та інші процеси, що відбуваються всередині атома, атомного ядра (рис. 8).

Мал. 8. Альфа-, бета- та гамма-розпади

Багато фізиків вважають, що в природі існує одна загальна взаємодія, а перераховані вище взаємодії - це лише її прояви, і намагаються отримати так звану єдину теорію поля, в якій всі ці чотири види будуть зводитися до одного. На даний момент вдалося об'єднати електромагнітну, сильну та слабку взаємодію.

Другий закон Ньютона в НСЗ. Відцентрова сила

Закони Ньютона виконуються в інерційних системах відліку, але можна домогтися того, що ці закони виконуватимуться і в неінерційних системах відліку (НСО).

Вчені домовилися вважати, що в НСО, крім звичних сил, відповідальних за появу у тіла прискорення, існують сили інерції - особливий вид сил. Вони пов'язані з прискоренням, з яким неінерційна система рухається по відношенню до інерційної.

У НСО другий закон Ньютона набуває наступного вигляду:

де - прискорення у неінерційній системі відліку; - сила інерції

де - абсолютне прискорення інерційної системи відліку

У НСО третій закон Ньютона щодо сил інерції не виконується.

Приклад сили інерції є відцентрова сила. Під час різкого повороту автомобіля людину вдавлює у крісло. З погляду цієї людини на неї діє відцентрова сила, а з погляду спостерігача на землі людина продовжує рухатися за інерцією, тоді як крісло автомобіля прагне повернути (рис. 9).

Мал. 9. Відцентрова сила

Як шукати рівнодіючу силу

Рівнодійна (результуюча)- це сила, результат дії якої еквівалентний сумарній дії всіх сил, прикладених до тіла (рис. 10).

Мал. 10. Знаходження рівнодіючої

Сили необов'язково мають взаємно збільшувати одне одного. Уявіть, що ви взимку катаєтесь на санчатах (рис. 11). У першій ситуації сили, які надають ваші друзі, складаються. У другий один із друзів не хоче віддавати санки та тягне їх в інший бік. У цьому випадку модулі сил віднімаються.

Мал. 11. Ілюстрація наприклад

Розглянемо приклад, коли сили спрямовані не вздовж однієї прямої, а різні сторони. На рис. 11 зображено тіло, яке знаходиться на похилій площині та утримується на ній за рахунок дії сили тертя . Крім цієї сили, на тіло діє сила тяжіння () та сила реакції опори (). Якщо тіло перебуває у положенні рівноваги, то векторна сума всіх сил дорівнює нулю, тобто дорівнює рівнодільна нулю.

Отже, прискорення, яке набуває тіло, також дорівнює нулю.

Мал. 11. Сили, які діють тіло

Список літератури

Г.Я. Мякішев, Б.Б. Буховцев, Н.М. Сотський. Фізика 10. – К.: Просвітництво, 2008.
А.П. Римкевич. фізика. Задачник 10-11. - М: Дрофа, 2006.
О.Я. Савченко. Завдання з фізики. - М: Наука, 1988.
А.В. Перишкін, В.В. Краукліс. Курс фізики Т. 1. - М.: Держ. уч.-пед. вид. хв. освіти РРФСР, 1957.

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

Домашнє завдання

Як стверджує класична фізика, у відомому світі постійно відбувається взаємодія тіл, частинок між собою. Навіть якщо ми спостерігаємо об'єкти, які перебувають у спокої, це не означає, що нічого не відбувається. Саме завдяки утримуючим силам між молекулами, атомами та елементарними частинками ви можете бачити предмет у вигляді доступної нам і зрозумілої матерії фізичного світу.

Взаємодія тіл у природі та житті

Як ми знаємо з власного досвіду, коли падаєш на щось, б'єшся, з чимось стикаєшся, це виявляється неприємно та боляче. Штурхаєте машину або у вас врізається перехожий, що зазівався. Тим чи іншим чином ви вступаєте у взаємодію Космосу з навколишнім світом. У фізиці це явище отримало визначення "взаємодія тіл". Розглянемо докладно, які види підрозділяє їх сучасна класична наука.

Види взаємодії тіл

У природі існує чотири види взаємодії тіл. Перше, всім відоме, це гравітаційна взаємодія тіл. Маса тіл є визначальною в тому, наскільки сильна гравітація.

Вона має бути досить величезних масштабів, щоб ми її змогли помітити. В іншому випадку спостереження та реєстрація цього виду взаємодії досить скрутні. Космос є тим місцем, де сили гравітації цілком можливо спостерігати на прикладі космічних тіл із величезною масою.

Взаємозалежність між гравітацією та масою тіла

Безпосередньо енергія взаємодії тіл прямо пропорційна масі і обернено пропорційно квадрату відстані між ними. Це згідно з визначенням сучасної науки.

Тяжіння вас і всіх предметів на нашій планеті обумовлено тим, що існує сила взаємодії двох тіл, які мають масу. Тому підкинутий вгору предмет притягується до поверхні Землі. Планета досить потужна, тому сила дії відчутна. Гравітація викликає взаємодію тіл. Маса тіл дає можливість її прояви та реєстрації.

Природа гравітації не ясна

Природа цього явища на сьогодні викликає безліч суперечок та припущень, крім фактичного спостереження та видимого взаємозв'язку між масою та тяжінням, не виявлено силу, що викликає гравітацію. Хоча на сьогодні проходить низка експериментів, пов'язаних із виявленням гравітаційних хвиль у космічному просторі. Точніше припущення свого часу висловив Альберт Ейнштейн.

Він сформулював гіпотезу, що гравітаційна сила є породженням викривлення тканини простору-часу розташованими в ньому тілами.

Згодом, у разі витіснення простору матерією, він прагне відновити свій обсяг. Ейнштейн припустив, що існує обернено пропорційна залежність між силою і щільністю матерії.

Прикладом наочної демонстрації цієї залежності можуть бути чорні дірки, мають немислиму щільність матерії і гравітацію, здатну притягнути як космічні тіла, а й світло.

Саме завдяки впливу природи гравітації сила взаємодії тіл забезпечує існування планет, зірок та інших космічних об'єктів. Крім цього, обертання одних об'єктів навколо інших присутнє з цієї причини.

Електромагнітні сили та прогрес

Електромагнітна взаємодія тіл дещо нагадує гравітаційну, але набагато сильнішу. Взаємодія позитивно та негативно заряджених частинок є причиною його існування. Власне, це викликає виникнення електромагнітного поля.

Воно генерується тілом (тілами) або поглинається або викликає взаємодію заряджених тіл. Цей процес відіграє дуже важливу роль у біологічній діяльності живої клітини та перерозподілі речовин у ній.

Крім цього, наочним прикладом електромагнітного прояву сил є звичайний електричний струм, магнітне поле планети. Людство досить широко застосовує цю силу передачі. Це мобільний зв'язок, телебачення, GPRS та багато іншого.

У механіці це проявляється у вигляді пружності, тертя. Наочний експеримент, який демонструє наявність цієї сили, всім відомий зі шкільного курсу фізики. Це натирання шовковою тканиною ебонітової полички. Частки, що виникли на поверхні, з негативним зарядом забезпечують тяжіння легких предметів. Повсякденний приклад - це гребінець і волосся. Після декількох рухів пластмасою по волоссю виникає тяжіння між ними.

Варто згадати про компас і магнітне поле Землі. Стрілка намагнічена і має кінці з позитивно та негативно зарядженими частинками, як наслідок, реагує на магнітне поле планети. Повертається своїм "позитивним" кінцем у напрямку негативних частинок і навпаки.

Мінімальні розміри, але величезна сила

Що ж до сильної взаємодії, його специфіка дещо нагадує електромагнітний вид сил. Причиною цього є наявність позитивних і негативно заряджених елементів. Подібно до електромагнітної сили, наявність різноіменних зарядів призводить до взаємодії тіл. Маса тіл та відстань між ними дуже малі. Це область субатомного світу, де такі об'єкти називаються частками.

Ці сили діють в області атомного ядра та забезпечують зв'язок між протонами, електронами, баріонами та іншими елементарними частинками. З огляду на їх розмірів, проти великими об'єктами, взаємодія заряджених тіл значно сильніше, ніж за електромагнітному типі сил.

Слабкі сили та радіоактивність

Слабкий вид взаємодії пов'язаний безпосередньо з розпадом нестійких частинок і супроводжується вивільненням різного виду випромінювання у вигляді альфа-, бета- та гамма-частинок. Як правило, речовини та матеріали з подібними характеристиками називають радіоактивними.

Цей вид сил називається слабким внаслідок того, що слабше електромагнітного та сильного типу взаємодії. Однак він потужніший, ніж гравітаційна взаємодія. Дистанції у цьому процесі між частинками дуже малі, близько 2·10 −18 метрів.

Факт виявлення сили та визначення її в низку фундаментальних стався досить недавно.

З відкриттям в 1896 Анрі Беккерель явища радіоактивності речовин, зокрема солей урану, було покладено початок вивчення цього виду взаємодії сил.

Чотири сили створили Всесвіт

Весь Всесвіт існує завдяки чотирьом фундаментальним силам, відкритим сучасною наукою. Вони породили космос, галактики, планети, зірки та різні процеси у тому вигляді, в якому ми це спостерігаємо. На даному етапі вважається повним визначення фундаментальних сил у природі, але, можливо, згодом ми дізнаємося про наявність нових сил, і знання природи світобудови стане на крок ближче до нас.

Взаємодія тел

Прикладів взаємодії тіла можна навести скільки завгодно. Коли ви, перебуваючи в човні, почнете за мотузок підтягувати інший, то і ваш човен обов'язково просунеться вперед. Діючи на другий човен, ви змушуєте його діяти на ваш човен.

Якщо ви вдарите ногою по футбольному м'ячу, то негайно відчуєте зворотну дію на ногу. При зіткненні двох більярдних куль змінюють свою швидкість, тобто. отримують прискорення обидві кулі. Усе це прояв загального закону взаємодії тел.

Дії тіл один на одного мають характер взаємодії не тільки за безпосереднього контакту тіл. Покладіть, наприклад, на гладкий стіл два сильні магніти з різними полюсами назустріч один одному, і ви відразу побачите, що почнуть рухатися назустріч один одному. Земля притягує Місяць (сила всесвітнього тяжіння) і змушує його рухатися криволінійною траєкторією; у свою чергу, Місяць також притягують Землю (теж сила всесвітнього тяжіння). Хоча, звісно, у системі відліку, що з Землею, прискорення землі, викликане цієї силою, не можна виявити безпосередньо, воно проявляється як припливів.

З'ясуємо за допомогою досвіду, як пов'язані між собою сили взаємодії двох тіл. Грубі виміри сил можна зробити на таких дослідах:

1 досвід. Візьмемо два динамометри, зачепимо один за одного їхні гачки, і взявшись за кільця, розтягуватимемо їх, стежачи за показаннями, обох динамометрів.

Ми побачимо, що за будь-яких розтягненнях показання обох динамометрів будуть однакові; отже, сила, з якою перший динамометр діє другий, дорівнює силі, з якою другий динамометр діє перший.

2 досвід. Візьмемо досить сильний магніт та залізний брусок, і покладемо їх на ковзанки, щоб зменшити тертя об стіл. До магніту та бруску прикріпимо однакові м'які пружини, зачепленими іншими кінцями на столі. Магніт та брусок притягнуться один до одного і розтягнуть пружини.

Досвід показує, що на момент припинення руху пружини виявляються розтягнутими однаково. Це означає, що на обидва тіла з боку пружин діють однакові за модулем і протилежні до напрямку сили.

Оскільки магніт спочиває, то сила дорівнює за модулем і протилежна за напрямом силі, з якою діє нею брусок.

Так само рівні по модулю і протилежні за напрямом сили, що діють на брусок з боку магніту та пружини.

Досвід показує, що сили взаємодії між двома тілами рівні за модулем і протилежні за напрямом і в тих випадках, коли тіла рухаються.

3 досвід. На двох візках, які можуть котитися рейками, стоять двоє людей А і В. Вони тримають у руках кінці мотузки. Легко виявити, що незалежно від того, хто натягує мотузку, А або В або обидва разом, візки завжди рухаються одночасно і до того ж у протилежних напрямках. Вимірюючи прискорення візків, можна переконатися, що прискорення обернено пропорційні масам кожного з візків (разом з людиною). Звідси випливає, що сили, що діють на візки, дорівнюють модулю.

Перший закон Ньютона. Інерційні системи відліку

Як перший закон динаміки Ньютон прийняв закон, встановлений ще Галілеєм: матеріальна точка зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху доти, доки вплив з боку інших тіл не виведе її з цього стану.

Перший закон Ньютона показує, що спокою або рівномірного прямолінійного руху не вимагає для підтримки будь-яких зовнішніх впливів. У цьому виявляється особлива динамічна властивість тіл, яка називається їх інертністю.

Відповідно перший закон Ньютона називають законом інерції, а рух тіла без впливів із боку інших тіл – рухом по інерції.

Механічне рух щодо: його характер однієї і тієї ж тіла то, можливо різним у різних системах відліку, які рухаються друг щодо друга. Наприклад, космонавт, що знаходиться на борту штучного супутника Землі, нерухомий у системі відліку, пов'язаної із супутником. У той самий час стосовно Землі він рухається разом із супутником по еліптичної орбіті, тобто. не рівномірно і прямолінійно.

Звичайно тому, що перший закон Ньютона повинен виконуватися не в будь-якій системі відліку. Наприклад, куля, що лежить на гладкій підлозі каюти корабля, що йде прямолінійно і рівномірно, може почати рух по підлозі без будь-якого впливу на нього з боку будь-яких тіл. Для цього достатньо, щоб швидкість корабля почала змінюватися.

Система відліку, стосовно якої матеріальна точка, вільна від зовнішніх впливів, лежить або рухається рівномірно і прямолінійно, називається інерційною системою відліку. Зміст першого закону іржання першого закону Ньютона зводиться по суті до двох тверджень: по-перше, що всі тіла мають властивість інертності і, по-друге, що існують інерційні системи відліку.

Будь-які дві інерційні системи відліку можуть рухатися одна щодо одної лише поступально і рівномірно і прямолінійно. Експериментально встановлено, що практично інерціальна геліоцентрична система відліку, початок координат якої знаходиться в центрі мас Сонячної системи (наближено – в центрі Сонця), а осі проведені у напрямку трьох віддалених зірок, обраних, наприклад, так, щоб осі координат були взаємно перпендикулярні.

Лабораторна система відліку, осі координат якої жорстко пов'язані із Землею, не інерційна головним чином через добове обертання Землі. Однак Земля обертається настільки повільно, що максимальне нормальне прискорення точок її поверхні в добовому обертанні не перевищує 0,034 м/.

Інерційні системи відліку відіграють особливу роль у механіці, а й у всіх інших розділах фізики. Це пов'язано з тим, що, згідно з принципом відносності Ейнштейна, математичний вираз будь-якого фізичного закону повинен мати той самий вид у всіх інерційних системах відліку.

Силою називається векторна величина, що є мірою механічної дії на тіло, що розглядається, з боку інших тіл. Механічну взаємодію може здійснюватися як між безпосередньо контактуючими тілами (наприклад, при терті, при тиску тіл один на одного), так і між віддаленими тілами. Особлива форма матерії, яка зв'язує частинки речовини в єдині системи і передає з кінцевою швидкістю дії одних частинок на інші, називаються фізичним полем або просто полем.

Взаємодія між віддаленими тілами здійснюється за допомогою створюваних ними гравітаційних та електромагнітних полів (наприклад, тяжіння планет до Сонця, взаємодія заряджених тіл, провідників зі струмом тощо). Механічне вплив на це тіло з боку інших тіл проявляється подвійно. Воно здатне викликати, по-перше, зміну стану механічного руху тіла, що розглядається, а по-друге, - його деформацію. Обидва ці прояви дії сили можуть бути основою вимірювання сил. Наприклад, вимірювання сил за допомогою пружинного динамометра, заснованого на законі Гука для поздовжнього розтягування. користуючись поняттям сили в механіці зазвичай говорять про рух та деформацію тіла під дією прикладених до нього сил.

При цьому, звичайно, кожній силі завжди відповідає деяке тіло, що діє на те, що розглядається з цією силою.

Сила F повністю визначена, якщо задані її модуль, напрямок у просторі та точка програми. Пряма, вздовж якої спрямована сила, називається лінією дії сили.

Поле, що діє матеріальну точку з силою F, називається стаціонарним полем, якщо воно не змінюється з часом t, тобто. якщо в будь-якій точці поля сила F не залежить від часу:

Для стаціонарності поля необхідно, щоб тіло, що його створює, спочивали щодо інерційної системи відліку, що використовується при розгляді поля.

Одночасна дія на матеріальну точку M кількох сил еквівалентно дії однієї сили, званої рівнодіючої, або результуючої, силою та рівною їхній геометричній сумі.

Вона являє собою замикаючу багатокутника сил

Маса. Імпульс

У класичній механіці масою матеріальної точки називається позитивна скалярна величина, що є мірою інертності цієї точки. Під впливом сили матеріальна точка змінює свою швидкість миттєво, поступово, тобто. набуває кінцеве за величиною прискорення, яке тим менше, чим більша маса матеріальної точки. Для порівняння мас і двох матеріальних точок достатньо виміряти модулі та прискорень, що придбаваються цими точками під дією однієї і тієї ж сили:

Зазвичай масу тіла знаходять шляхом зважування на важелях.

У класичній механіці вважається, що:

а) Маса матеріальної точки залежить від стану руху точки, будучи її постійною характеристикою.

б) Маса – величина адитивна, тобто. маса системи (наприклад, тіла) дорівнює сумі мас всіх матеріальних точок, що входять до складу цієї системи.

в) Маса замкнутої системи залишається незмінною за будь-яких процесах, які у цій системі (закон збереження маси).

Щільністю ρ тіла у цій його точці M називається відношення маси dm малого елемента тіла, що включає точку M, до величини dV об'єму цього елемента:

Розміри елемента, що розглядається, повинні бути настільки малі, щоб зміною щільності в його межах можна було в багато разів більше міжмолекулярних відстаней.

Тіло називається однорідним, якщо у всіх його точках щільність однакова. Маса однорідного тіла дорівнює добутку його густини на об'єм:

Маса неоднорідного тіла:

де ρ - Функція координат, а інтегрування проводиться по всьому об'єму тіла. Середньою густиною (ρ) неоднорідного тіла називається відношення його маси до об'єму: (ρ)=m/V.

Центром мас системи матеріальних точок називається точка С, радіус-вектор якої дорівнює:

де - маса і радіус-вектор i-ї матеріальної точки, n - загальна кількість матеріальних точок в системі, а m = - маса всієї системи.

Швидкість центру мас:

Векторна величина, що дорівнює добутку маси матеріальної точки на її швидкість, називається імпульсом, або кількістю руху, цієї матеріальної точки. Імпульсом системи матеріальних точок називається вектор p, що дорівнює геометричній сумі імпульсів усіх матеріальних точок системи:

імпульс системи дорівнює добутку маси всієї системи на швидкість центру її мас:

Другий закон Ньютона

Основним законом динаміки матеріальної точки є другий закон Ньютона, який говорить про те, як змінюється механічний рух матеріальної точки під дією прикладених до неї сил. Другий закон Ньютона свідчить: швидкість зміни імпульсу ρ матеріальної точки дорівнює чинної її силі F, тобто.

де m і v – маса та швидкість матеріальної точки.

Якщо на матеріальну точку одночасно діють кілька сил, то під силою F у другому законі Ньютона слід розуміти геометричну суму всіх діючих сил – як активних, і реакцій зв'язків, тобто. рівнодіючу силу.

Векторна величина F dt називається елементарним імпульсом сили F за малий час dt її дії. Імпульс сили F за кінцевий проміжок часу від дорівнює певному інтегралу:

де F, у випадку, залежить від часу t.

Згідно з другим законом Ньютона зміна імпульсу матеріальної точки дорівнює імпульсу чинної на неї сили:

dp = F dt та ,

де - Значення імпульсу матеріальної точки в кінці () і на початку () аналізованого проміжку часу.

Оскільки в ньютонівській механіці маса m матеріальної точки не залежить від стану руху точки, то

Тому математичне вираз другого закону Ньютона можна також подати у формі

де – прискорення матеріальної точки, r – її радіус-вектор. Відповідно формулювання другого закону Ньютона свідчить: прискорення матеріальної точки збігається у напрямку з силою, що діє на неї, і дорівнює відношенню цієї сили до маси матеріальної точки.

Дотичне та нормальне прискорення матеріальної визначаються відповідними складовими сили F

де модуль вектора швидкості матеріальної точки, а R - радіус кривизни її траєкторії. Сила, що повідомляє матеріальній точці нормальне прискорення, спрямована до центру кривизни траєкторії точки і тому називається доцентровою силою.

Якщо на матеріальну точку одночасно діють кілька сил , то її прискорення

де. Отже, кожна з сил, що одночасно діють на матеріальну точку, повідомляє їй таке ж прискорення, якби інших сил не було (принцип незалежності дії сил).

Диференціальним рівнянням руху матеріальної точки називається рівняння

У проекціях на осі прямокутної декартової системи координат це рівняння має вигляд

де x, y і z - координати точки, що рухається.

Третій закон Ньютона. Рух центру мас

Механічна дія тіл один на одного проявляється у вигляді їхньої взаємодії. Про це говорить третій закон Ньютона: дві матеріальні точки діють один на одного з силами, які чисельно рівні та спрямовані в протилежні сторони вздовж прямої точки, що з'єднує ці точки.

Якщо – сила, що діє на i-ю матеріальну точку з боку k-ї, а – сила, що діє на k-у матеріальну точку з боку i-ї, то, згідно з третім законом Ньютона,

Сила прикладені до різних матеріальних точок і можуть і взаємно врівноважуватися тільки в тих випадках, коли ці точки належать одному й тому ж абсолютно твердому тілу.

Третій закон Ньютона є суттєвим доповненням до першого та другого законів. Він дозволяє перейти від динаміки окремої матеріальної точки до динаміки довільної механічної системи (системи матеріальних точок). З третього закону Ньютона випливає, що у будь-якій механічній системі геометрична сума всіх внутрішніх сил дорівнює нулю:

де n - Число матеріальних точок, що входять до складу системи, а .

Вектор , рівний геометричній сумі всіх зовнішніх сил, що діють на систему, називається головним вектором зовнішніх сил:

де - результуюча зовнішніх сил, прикладених до i-ї матеріальної точки.

З другого і третього законів Ньютона випливає, що перша похідна часу t від імпульсу p механічної системи дорівнює головному вектору всіх зовнішніх сил, прикладених до системи,

Це рівняння виражає закон зміни імпульсу системи.

Оскільки , де m – маса системи, а – швидкість її центру мас, то закон руху центру мас механічної системи має вигляд

, або ,

де - Прискорення центру мас. Таким чином, центр мас механічної системи рухається як матеріальна точка, маса якої дорівнює масі всієї системи і на яку діє сила, що дорівнює головному вектору зовнішніх сил, доданих до системи.

Якщо розглянута система – тверде тіло, яке рухається поступально, то швидкості всіх точок тіла та його центру мас однакові та рівні швидкості v тіла. Відповідно прискорення тіла, і основне рівняння динаміки поступального руху твердого тіла має вигляд

Стверджує, що в інерційних системах прискорення тіла пропорційно доданій силі, фізичній величині, що є кількісною мірою взаємодії. Величину сили, що характеризує взаємодію тіл, можна визначити, наприклад, деформації пружного тіла, додатково введеного в систему так, що взаємодія з ним повністю компенсує вихідне. Коефіцієнт пропорційності...

Величину і напрямок усіх сил, що діють у механічній системі, і масу матеріальних тіл, з яких вона складається, і можна з вичерпною точністю розрахувати її поведінку в часі. Саме другий закон Ньютона надає всій класичній механіці її особливу красу - починає здаватися, ніби весь фізичний світ влаштований, як найточніший хронометр, і ніщо в ньому не вислизне від погляду.

195. На столі лежить книжка. З якими тілами вона взаємодіє? Чому книга перебуває у спокої?
Книга, що лежить на столі, взаємодіє з Землею і зі столом. Вона спокої, оскільки ці взаємодії врівноважені.

196. Взаємодія яких тіл обумовлюється рух хмар; стріли, випущеної із лука; снаряда всередині стовбура гармати під час пострілу; обертання крил вітряного двигуна?
Взаємодія крапель води, що входять у хмару, з повітряними потоками і Землею.
Взаємодія з тятивою цибулі, Землею і повітрям.
Взаємодія з газами, що утворилися в результаті вибуху пороху, стовбуром гармати, її ложем і Землею.
Взаємодія крил млина з потоком повітря, що набігає.

197. Наведіть 3-5 назв тіл, в результаті взаємодії з якими м'яч може почати рух (або змінити напрямок свого руху).
Нога футболіста, ракетка тенісиста, ключка для гольфу, біта бейсболіста, повітряний потік.

198. Що станеться з підвішеною на нитках пружиною, якщо сірником перепалити нитку АВ, що її стискає (рис. 38)?
Дія нитки АВ на пружину припиниться, і вона розіжметься і прийде в русі.

199. Чому пожежному важко утримувати брандспойт, із якого б'є вода?
Через явище віддачі.

200. Чому відхиляється трубка при витіканні води (мал. 39)?
В результаті взаємодії витікаючої води і трубки остання почне рухатися.

201. Чому трубка не відхиляється, якщо на шляху води, що витікає з неї (див. задачу 200), помістити картонку, укріплену на трубці, як показано на малюнку 40?
Взаємодія між трубкою та водою врівноважується взаємодією між картоном та трубкою, і тому трубка залишається у спокої.

202. Чому при витіканні води посудина, підвішена на нитці, обертається (рис. 41)?
Потік води, що витікає з трубок, діє на стінки трубок. В результаті посудина обертається.

203. Колба підвішена на нитці (рис. 42). Чи залишиться колба у стані спокою при сильному кипінні води у ній? Явище поясніть.
Ні. див. №202.

204. У деяких парках на дитячих майданчиках для ігор встановлюють дерев'яні циліндри (барабани), що обертаються на горизонтальній осі. У якому напрямі і коли ним біжить дитина?
Дитина відштовхується від циліндра, і той рухається у протилежному напрямку.

205. Риба може рухатися вперед, відкидаючи зябрами струменя води. Поясніть це явище.
Цей принцип руху називається реактивним. Вода, що відкидається зябрами риби, діє на рибу, яка за рахунок цього починає рухатися.

206. Яке призначення у водоплавних птахів мають перетинчасті лапки?
Перетинчасті лапки дозволяють збільшувати взаємодію між водою та птицею.

207. Чому при пострілі приклад гвинтівки треба щільно притискати до плеча?
Нещільно притиснутий приклад у результаті віддачі може зашкодити плече.

208. Чому при пострілі снаряд і знаряддя одержують різні швидкості?
Маса гармати в багато разів більша за масу снаряда, і відповідно швидкість гармати буде в багато разів менша за швидкість снаряда.

209. Хлопчик стрибає із навантаженої баржі на берег. Чому рух баржі убік, протилежний стрибку, непомітний?
Маса баржі набагато більша за масу хлопчика, і в результаті швидкість гармати практично дорівнює нулю.

210. На однаковій відстані від берега знаходяться човен з вантажем і такий самий човен без вантажу. З якого човна легше зістрибнути на берег? Чому?
Легше стрибати з навантаженого човна, оскільки його маса більша.

211. а) У стислому стані пружина на підставці утримується за допомогою нитки (рис. 43, а). Якщо в точці А нитку перепалити, пружина злетить. Вкажіть, взаємодією яких тіл викликається рух пружини.
б) Якщо на пружину попередньо помістити, наприклад, м'яч, то і він почне рухатися. Взаємодією яких тіл буде спричинено рух м'яча?
в) На лівому візку лежить кубик із заліза, на правій - із дерева (рис. 43, б). Між візками поміщено стиснуту за допомогою нитки пружину. Якщо нитку перепалити, то візки почнуть рухатися. Який візок набуде більшої швидкості? Чому?
а) Взаємодія пружини, опори та нитки.
б) Взаємодія пружини, нитки, м'яча і опори.
в) m1v1 = m2v2. Значить, більшу швидкість набуде візок з дерев'яним бруском, оскільки він має меншу масу.

212. Ліва візок (див. задачу 211, в) придбав швидкість 4 см/с, правий - 60 см/с. Маса якого візка більша і у скільки разів?

213. Чому дорівнює маса лівого візка (див. задачу 212), якщо маса правого візка дорівнює 50 г?

214. Пішохід масою 90 кг рухається зі швидкістю 3,6 км/год, а собака масою 7,5 кг біжить зі швидкістю 12 м/с. Знайдіть відношення імпульсів пішохода та собаки.

215. а) Сталева пластина прикріплена до кінця пружини (рис. 44). Пружина у стислому стані утримується ниткою. Якщо перепалити нитку, пружина випрямляється і сталева пластина одночасно ударяє кулі, які лежать на столі. Маси куль рівні, але зроблені з різних металів (алюміній, свинець, сталь). З якого металу зроблено шар 1, шар 2 і шар 3? (На малюнку положення кожної кулі після удару позначено пунктиром.)
б) Між візками поміщено стиснуту за допомогою нитки пружину (див. рис. 43, б). Якщо нитку перепалити, то в результаті взаємодії з пружиною візки почнуть рухатися. Як відрізнятимуться швидкості, придбані візками, якщо маса лівого візка становить 7,5 кг, а правого – 1,5 кг?

216. Пружина, кінці якої стягнуті ниткою, поміщена між візками так, як показано на малюнку 45. На візках судини з піском. Коли нитку перепалили, правий візок придбав більшу швидкість, ніж лівий. Чим це можна пояснити?
Лівий візок важчий за правий.

217. Яка маса правого візка (див. задачу 216), якщо вона придбала в 0,5 рази більшу швидкість, ніж лівий візок, маса якого з вантажем становить 450 г?

218. Хлопчик вибирає мотузку, і човни зближуються в озері (рис. 46). Який із двох однакових човнів на момент зближення набуває великої швидкості? Чому?
Велику швидкість має лівий човен, оскільки він легший за правий, в якому сидить дитина.

219. При взаємодії двох візків їх швидкості змінилися на 20 та 60 см/с. Маса більшого візка 0,6 кг. Чому дорівнює маса меншого візка?

220. До куль, що лежать на столі, були прикладені протягом одного і того ж проміжку часу однакові сили. При цьому куля масою 3 кг набула швидкості 15 см/с. Яку швидкість набула куля масою 1 кг?

221. З нерухомого надувного човна масою 30 кг на берег стрибнув хлопчик масою 45 кг. При цьому човен придбав швидкість 1,5 м/с щодо берега. Яка швидкість хлопчика щодо човна?

222. Хлопчик, маса якого 46 кг, стрибнув на берег зі швидкістю 1,5 м/с із нерухомого плоту масою 1 т. Яку швидкість набув пліт щодо берега?

223. Чи можуть два нерухомі спочатку тіла в результаті взаємодії один з одним придбати однакові за чисельним значенням швидкості?
Можуть за умови, що їх маси рівні.

224. Повітря під поршнем насоса стиснули. Чи змінилася маса повітря?
Маса повітря не змінилася.

225. Гірю опустили в посудину з водою. Чи змінилася маса гирі?
Маса гирі не змінилася.

226. Змагаючись у перетягуванні, два хлопчики тягнуть мотузку в різні боки, прикладаючи до неї сили по 500 Н кожен. Чи розірветься мотузка, якщо він витримує силу натягу лише 800 Н?
Чи не розірветься, оскільки на неї діє сила всього в 500 Н.

227. Чи зміниться маса води, коли частина її звернеться у лід чи пару?
Її маса зміниться на величину, що дорівнює масі льоду або пари.