Підручник Фізика 7 клас - Пшенічка П.Ф. - 2015 рік

Розділ ІІІ Взаємодія тіл. Сила

§ 20. СИЛА. ІНЕРТНІСТЬ ТІЛА. ЯВИЩЕ ІНЕРЦІЇ

Сила

Ми щодня спостерігаємо дію різних сил. Коли ми несемо валізу, то добре відчуваємо, як вона тягне руку вниз, розтягуючи м’язи. Саме деформація (розтягування) і напруження наших м’язів дає нам відчуття сили.

Валіза діє на руку, бо її притягує вниз Земля, а не падає вона тільки тому, що дія на неї з боку руки направлена вгору і компенсує (врівноважує) дію сили тяжіння.

Дію на дане тіло інших тіл називають силою. Силу зазвичай позначають літерою F (від англ. force - сила), але в деяких випадках використовують індекси та інші літери. Сила є векторною фізичною величиною і на малюнках її зображають стрілкою, яка вказує напрям дії сили. Нагадаємо, що векторні величини позначають напівжирними літерами, або літерами зі стрілками над ними.

Рівнодійна двох однакових за величиною і протилежних за напрямом сил, що діють на одне і те ж тіло і лежать на одній прямій, дорівнює нулю, тобто вони компенсують одна одну. Це означає, що дані сили, діючи разом, не порушать рівновагу тіла, а тільки деформують його.

Пряму, яка співпадає з вектором сили, називають лінією дії сили. Точку на тілі, де розміщено початок вектора сили, прийнято називати точкою прикладання сили (мал. 20.1).

Мал. 20.1.

Сили тяжіння, тертя і пружності

В повсякденному житті ми найчастіше стикаємося з дією сил тяжіння, тертя і пружності. Величину сили в СІ вимірюють у ньютонах (Н). Так пошановано видатного англійського фізика Ісаака Ньютона, який уперше детально дослідив силу тяжіння.

На мал. 20.2 зображено тягар, підвішений на тросі до стелі. На тягар діє сила тяжіння (Fтяж ), яка направлена вертикально вниз. Не падає тягар тому, що на нього з боку троса діє вгору сила пружності, яка виникла внаслідок розтягу троса. Цю силу називають силою натягу і позначають літерою Т. Силу пружності легко відчути, стискаючи чи розтягуючи пружину (мал. 20.3).

Мал. 20.2. Тягар, підвішений на тросі

Мал. 20.3. При стисканні чи розтягуванні пружини виникає сила пружності.

Рівновага сил

В нашому прикладі (мал. 20.2) сила тяжіння і сила натягу рівні за величиною і протилежні за напрямом. В сумі ці вектори сил дають нуль і тіло знаходиться в рівновазі (не падає). Сила натягу Т виникла в тросі тому, що тягар його розтягує. Характерною ознакою дії на тіло сили є його деформація. Деформацією називають зміну розмірів і форми тіла.

Якщо покласти валізу на диван, то легко помітити, що він під нею трохи прогинається (мал. 20.4). Пружини дивану стискаються доти, поки сила N,яка діє на валізу з боку опори (дивану) не врівноважить силу тяжіння Fтяж . З цього моменту валіза перебуватиме в рівновазі. Силу N називають реакцією опори (слово «реакція» означає «зворотна дія»).

Випадок, коли на тіло діють дві рівні за величиною і протилежні за напрямом сили, є найпростішим прикладом компенсації сил. Слід зауважити, що в наведеному прикладі валіза також деформується. Наприклад, під дією сил F і N (мал. 20.4) валіза трохи сплющується по вертикалі і стає товстішою по горизонталі. Отже, під дією сил, які компенсуються, тіло знаходиться в рівновазі і тільки деформується.

Мал. 20.4. Сила тяжіння і сила реакції опори компенсують одна одну

Дослід 20.1

Стисніть докупи два волейбольних м’ячі і переконайтеся, що вони обидва при цьому деформуються. Дайте відповідь на запитання: а) Як залежить величина деформації м’ячів від величини сили, з якою їх стискають? б) Якщо один з м’ячів сильніше накачали, то який з них деформується сильніше? в) Якщо м’ячі мають різні розміри, то як залежить величина вм’ятини від радіусу м’яча?

Інертність

Дослід 20.1

Покладемо на гладку поверхню стола масивну книжку, наприклад, енциклопедію. Прив’яжемо до неї складену вдвоє швейну нитку, залишивши вільним кусок довжиною 30-40 см (мал. 20.5). Натягнемо кінець нитки і плавно приведемо книжку в рух, повільно пересуваючи її по столу. Впевнюємося, що нитка достатньо міцна, щоб долати силу тертя. Тепер повторимо дослід, але відпустимо нитку, а потім різко смикнемо за її кінець. У цьому випадку нитка розірветься, навіть якщо її скласти втроє чи вчетверо, а книжка практично не зрушить з місця.

Мал. 20.5. Інертність книжки не дозволяє різко збільшити її швидкість

В цьому простому досліді ми стикаємося з двома ефектами: 1) при дії нескомпенсованих сил швидкість тіла починає змінюватися і 2) властивістю тіл «противитися» зміні швидкості, яку називають інертністю.

Книга не змогла відразу набрати швидкість, яку ми надали нитці, в результаті чого нитка видовжилася надто сильно і розірвалася. Ми навмисне запропонували взяти масивну книжку, щоб дослід легко вдався.

У випадку зміни тілом його швидкості під дією сили, маса тіла є мірою інертності, тобто чим більша маса тіла, тим важче збільшити чи зменшити його швидкість. По цій причині дуже небезпечно перебігати дорогу перед рухомим транспортом. Які б сильні не були гальма автомобіля, він не може зупинитися миттєво і проїжджає до зупинки певний гальмівний шлях.

Мал. 20.6. Чим менша сила тертя, тим далі котиться куля. У випадку компенсації сил, або їх відсутності, тіло ніколи не зупиниться

Рух за інерцією

Ретельно проведені досліди показують, що поки сили, які діють на тіло, врівноважені, воно буде знаходитися у стані спокою або рухатиметься рівномірно і прямолінійно. Це твердження називають першим законом Ньютона, або законом інерції.

Якщо факт рівноваги тіла при компенсації сил майже очевидний, то рівномірний рух у випадку компенсації сил викликає подив, адже всі знають, що для того, щоб переміщати важкий ящик по підлозі, треба прикласти значну силу. Але, якщо подумати, то ясно, що сила в даному випадку потрібна тільки для компенсації сили тертя.

Галілео Галілей був першим, хто помітив, що для рівномірного прямолінійного руху сила або зовсім не потрібна, або потрібна, щоб компенсувати дію сили тертя та інших сил, які заважають рухатися. Він запропонував дослід, який підтверджує цю думку.

Пустимо масивну кулю котитися з невеличкого горбика, який плавно переходить в горизонтальну площину (мал. 20.6).

Спочатку горизонтальна поверхня була глиняною, і куля зупинилася в точці 1. По дерев’яному настилу куля прокотилася далі, і зупинилася в точці 2. Найдальше (точка 3) куля котилася по гладкій мармуровій підлозі. Якщо уявити, що сили тертя і опору повітря взагалі відсутні, то логічно допустити, що куля ніколи не зупиниться.

Дослід Галілея демонструє гра в боулінг.

Гладка підлога дозволяє масивній кулі досягати мети, навіть якщо її кинути з невеликою швидкістю (мал. 20.7).

Мал. 20.7. Навіть кинута з невеликою швидкістю куля досягає мети. на комп’ютері

Рівномірний рух і спокій.

Галілей був також першим, хто зрозумів, що рівномірний рух і спокій нічим не відрізняються між собою. Вода, яка капає з крана у глечик з вузьким горлечком в каюті пришвартованого корабля, буде попадати в глечик і тоді, коли корабель рівномірно рухається по морю (приклад, приведений Галілеєм в одній з його праць).

Рівномірний рух тіла у випадку відсутності сил (або їх компенсації), називають рухом за інерцією. Якщо ви, наприклад, спокійно стоїте в автобусі під час його рівномірного руху по маршруту, то це тому, що сила тяжіння, яка на вас діє униз з боку Землі і сила пружності підлоги (сила реакції), яка діє вгору - скомпенсовані.

Мал. 20.8. Краш-тест перевіряє ефективність дії підголівників (1) при ударі по автомобілю ззаду

Якщо ж автобус різко загальмує, то вас «понесе» вперед. Стається так тому, що підошви взуття зменшують швидкість разом з автобусом, внаслідок дії на них назад сили тертя з боку підлоги, а корпус продовжує рух з попередньою швидкістю, як кажуть, «по інерції», бо сили тяжіння і реакції все ще скомпенсовані, а інші сили поки що не діють.

При різкому ударі ззаду автомобіль може настільки різко рушити вперед, що станеться травма шийних хребців, якщо на сидіннях відсутні підголівники (мал. 20.8). Від різкої зупинки, коли машина вріжеться у перешкоду, рятують ремені безпеки і повітряні подушки.

Підведемо підсумки

• При відсутності сил або їх компенсації:

• а) тіло зберігає свій початковий стан руху. Це означає, що тіло, яке не рухалося, перебуватиме в спокої і далі;

• б) якщо ж тіло рухалося, то воно продовжуватиме свій рух з попередньою швидкістю і по прямій траєкторії.

• Якщо на тіло діє не скомпенсована сила, швидкість тіла буде змінюватися: збільшуватися, зменшуватися чи змінювати напрям.

Вправа 20

1. У якому випадку дві сили компенсують одна одну?

2. Які зміни в тілі викликають скомпенсовані сили?

3. Назвіть ознаки деформації тіла.

4. З якими силами ми найчастіше зустрічаємося в повсякденному житті?

5. Що називають «інертністю»?

6. Яким є стан руху тіла у випадку: а) відсутності та б) компенсації сил?

7. Який рух називають рухом «за інерцією»?

8. На тіло діють дві сили, які компенсують одна одну. а). Які ці сили за напрямом і величиною? б) Опишіть стан руху цього тіла.

9. На тіло діють дві протилежно направлені сили, які діють вздовж однієї прямої. За якої умови тіло: а) рухається рівномірно; б) збільшує швидкість; в) зменшує швидкість; д)не рухається?

10. Чи може рухатися тіло, на яке взагалі ніяка сила не діє?

11. Чи може маса тіла дорівнювати нулю?

12. На столі лежить книга. а) З якими тілами вона взаємодіє? б) Які сили діють на книгу?

13. Чому автомобіль не може миттєво: а) зупинитися, б) рушити з місця та в) повернути?

14. Муляр відколов частину цеглини, тримаючи її в руці і вдаряючи по ній молотком.

а) Чому руці при цьому не боляче? б) Чому відколюється саме та частина цеглини, по якій вдаряє молоток?

15. На столику в вагоні потягу лежить м'ячик. Якою буде поведінка м'ячика у випадку, коли поїзд : а) рухається рівномірно, б) зупиняється, в) набирає швидкість, г) стоїть на зупинці?

16. Килим витрушують, вдаряючи по ньому палицею. Поясніть, внаслідок чого пилюка покидає килим, а не «втискується» в нього?

17. Для чого на сидіннях автомобіля потрібні: а) підголівники; б) ремені безпеки і в) повітряні подушки?

18. Чи може автомобіль з вимкненим двигуном рухатися рівномірно а) по горизонтальному шосе; б) по схилу вниз?

19. Два вагони різної маси зіштовхнулися на маневровій ділянці колії. На який вагон подіяла більша сила?

20. В півметра від берега знаходиться шестимісний човен. Якому пасажиру легше стрибнути на берег: першому, чи останньому? Назвіть дві причини.

21. Чому на великій швидкості небезпечно гальмувати переднім колесом велосипеда?

22. Чому цвях легше забити, ударяючи по ньому молотком, а не просто натискаючи на нього?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити