Jak se měří síla?

Ve světě kolem nás se fyzická těla neustále vzájemně ovlivňují. V důsledku vzájemného působení těles se mění jejich rychlosti. Rychlost tělesa po interakci se může zvýšit, snížit nebo změnit svůj směr.

Už víte, že změna rychlosti tělesa je nepřímo úměrná jeho hmotnosti. Čím menší je hmotnost tělesa, tím více se po interakci mění jeho rychlost.

Často ale neuvádějí, které tělo a jak přesně to druhé ovlivnilo. Prostě to říkají na tělo působí síla nebo je na něj aplikována síla. V této lekci prozkoumáme tuto novou definici.

Příklady interakcí těles, při kterých se mění jejich rychlost

Může se v důsledku toho změnit rychlost tělesa?

Podívejme se na příklady interakce mezi tělesy a podívejme se, co se mění v konkrétních případech.

1. Tlačením např. kočárek uvedeme do pohybu;

2. Položíme-li na stůl kovové předměty a v určité vzdálenosti od nich magnet, začnou se hřebíky pohybovat. Pod vlivem magnetu změní svou rychlost. V důsledku toho budou všechny shromážděny v blízkosti magnetu;

3. Úderem míčku raketou změníme směr jeho pohybu;

4. Zatlačíme-li rukou na pružinu s kuličkou, stlačíme ji (obrázek 1). Pohyb přechází na konec pružiny a přenáší se na její zbývající části. Během komprese bude působícím tělem ruka (obrázek 1, a). Když se pružina začne narovnávat (obrázek 1, b), je sama aktivním tělesem – uvádí míč do pohybu.

Všechny tyto příklady nám to připomínají rychlost tělesa se mění při jeho interakci s jinými tělesy.

Deformace těles

Interakce však může vést k dalším změnám:

• Pokud zatlačíme na měkkou gumu (obrázek 2), zmenší se a změní svůj tvar – deformované.

Deformace je jakákoli změna tvaru a velikosti těla.

Další příklad deformace:
pokud sedíte na desce, která je podepřena podpěrami, ohne se (obrázek 3). Uprostřed se deska posune o větší vzdálenost dolů než na okrajích.

Definice síly

Změny všech těchto veličin nám říkají, že na tělo působí určitá síla:

1. Rychlost
2. Směr pohybu
3. Tvar těla
4. Měření těla

V předchozích příkladech se rychlost pohybu těles měnila různě, ale může se stát stejnou i po působení síly? Ano, ale síly působící na tato tělesa musí být odlišné.

Takže, aby sportovec zvedl malou činku, potřebuje menší sílu, než kdyby se rozhodl zvedat velkou činku. To znamená, že síla může mít různé významy.

Síla je fyzikální vektorová veličina, která je mírou vzájemného působení těles a vede ke změně rychlosti pohybu těles nebo změně jejich částí.

• číselná hodnota, její modul je označen písmenem $F$ bez šipky;
• směr, označený písmenem $vec$ se šipkou.

Síla způsobuje změnu rychlosti tělesa. Můžeme tedy popsat fyzikální význam jeho měrné jednotky.

Jednotka síly ($1 prostor N$) je síla, která v $1 prostoru s$ změní rychlost tělesa o hmotnosti $1 prostor kg$ o $1 frac$:
$1 mezera Н = 1 mezera kg cdot frac$.

Obrázek moci

Jak je na výkresu znázorněna síla? Podívejte se na obrázek 5.

Síla působí vždy na nějaký konkrétní bod těla – je důležité to naznačit. V našem případě je síla aplikována na bod A. Dále je z tohoto bodu nakreslen segment se šipkou na konci. Délka segmentu obvykle označuje modul síly v určitém měřítku.

Takže to můžeme říct

Výsledek síly působící na těleso závisí na jeho modulu, směru a místě působení.

Cvičení

Počítačová myš se pohybuje po stole silou 2 $ mezera N$. Nakreslete tuto sílu na stupnici 1 buňka – $1 mezera H$.

Správný obrázek je na obrázku 6. Pokud jedna buňka odpovídá $1 mezerě H$, pak segment, který potřebujeme reprezentující sílu, bude mít 2 buňky. Ve cvičení se nic neříká o směru, takže jakýkoli směr, který zvolíte, bude správný.

Síla je vektorová veličina. Je nutné znát místo působení a směr každé síly. Důležité je umět určit, které síly na těleso působí a jakým směrem. Síla je označena jako , měřená v Newtonech. Aby bylo možné rozlišit síly, jsou označeny následovně

Níže jsou uvedeny hlavní síly působící v přírodě. Při řešení problémů není možné vymýšlet síly, které neexistují!

V přírodě je mnoho sil. Zde uvažujeme síly, které jsou uvažovány ve školním kurzu fyziky při studiu dynamiky. Jsou zmíněny i další síly, o kterých bude řeč v dalších částech.

Gravitace

Každé těleso na planetě je ovlivněno zemskou gravitací. Síla, kterou Země přitahuje každé těleso, je určena vzorcem

Místo aplikace je v těžišti těla. Gravitace vždy směřuje svisle dolů.

Třecí síla

Seznámíme se se silou tření. Tato síla vzniká, když se tělesa pohybují a dva povrchy se dostanou do kontaktu. Síla vzniká proto, že povrchy při pohledu pod mikroskopem nejsou tak hladké, jak se zdají. Třecí síla je určena vzorcem:

Síla působí v bodě dotyku dvou povrchů. Nasměrováno ve směru opačném k pohybu.

Protože tělo je reprezentováno jako hmotný bod, síla může být reprezentována ze středu

Pozemní reakční síla

Představme si velmi těžký předmět ležící na stole. Stůl se pod tíhou předmětu prohne. Ale podle třetího Newtonova zákona působí stůl na předmět přesně stejnou silou jako předmět na stole. Síla směřuje opačně než síla, kterou předmět tlačí na stůl. Tedy nahoru. Tato síla se nazývá pozemní reakce. Název síly „mluví“ podpora reaguje. K této síle dochází vždy, když dojde k nárazu na podpěru. Povaha jeho výskytu na molekulární úrovni. Zdálo se, že objekt deformuje obvyklou polohu a spojení molekul (uvnitř stolu), ty se zase snaží vrátit do původního stavu, „odolat“.

Naprosto jakékoli tělo, i velmi lehké (například tužka ležící na stole), deformuje podpěru na mikroúrovni. Proto dochází k zemní reakci.

Neexistuje žádný speciální vzorec pro nalezení této síly. Označuje se písmenem , ale tato síla je jednoduše samostatným typem elastické síly, takže ji lze také označit jako

Síla působí v místě kontaktu předmětu s podpěrou. Nasměrováno kolmo k podpěře.

Protože tělo je reprezentováno jako hmotný bod, síla může být reprezentována ze středu

Elastická síla

Tato síla vzniká v důsledku deformace (změny výchozího stavu látky). Když například natahujeme pružinu, zvětšujeme vzdálenost mezi molekulami materiálu pružiny. Když pružinu stlačíme, snížíme ji. Když kroutíme nebo posunujeme. Ve všech těchto příkladech vzniká síla, která brání deformaci – pružná síla.

Elastická síla směřuje proti deformaci.

Protože tělo je reprezentováno jako hmotný bod, síla může být reprezentována ze středu

Například při sériovém připojení pružin se tuhost vypočítá pomocí vzorce

Při paralelním zapojení tuhost

Ukázka tuhosti. Youngův modul.

Youngův modul charakterizuje elastické vlastnosti látky. Jedná se o konstantní hodnotu, která závisí pouze na materiálu a jeho fyzikálním stavu. Charakterizuje schopnost materiálu odolávat tahové nebo tlakové deformaci. Hodnota Youngova modulu je tabulková.

Přečtěte si více o vlastnostech pevných látek zde.

Tělesná hmotnost

Tělesná hmotnost je síla, kterou předmět působí na podpěru. Říkáte si, to je síla gravitace! Zmatek nastává v následujícím: skutečně se často váha tělesa rovná gravitační síle, ale tyto síly jsou zcela odlišné. Gravitace je síla, která vzniká v důsledku interakce se Zemí. Hmotnost je výsledkem interakce s podporou. Gravitační síla působí v těžišti předmětu, zatímco váha je síla, která působí na podpěru (nikoli na předmět)!

Neexistuje žádný vzorec pro určení hmotnosti. Tato síla je označena písmenem.

Reakční síla podpěry neboli pružná síla vzniká v reakci na dopad předmětu na závěs nebo podpěru, proto je hmotnost těla vždy číselně stejná jako pružná síla, ale má opačný směr.

Síla reakce podpory a hmotnost jsou síly stejné povahy podle 3. Newtonova zákona, jsou stejné a mají opačný směr. Hmotnost je síla, která působí na podpěru, nikoli na tělo. Na těleso působí gravitační síla.

Tělesná hmotnost se nemusí rovnat gravitaci. Může to být více nebo méně, nebo se může stát, že hmotnost je nulová. Tento stav se nazývá stav beztíže. Stav beztíže je stav, kdy objekt neinteraguje s oporou, například stav letu: existuje gravitace, ale hmotnost je nulová!

Je možné určit směr zrychlení, pokud určíte, kam směřuje výsledná síla

Vezměte prosím na vědomí, že hmotnost je síla, měřená v Newtonech. Jak správně odpovědět na otázku: „Kolik vážíš“? Odpovídáme 50 kg, nejmenujeme svou váhu, ale svou hmotnost! V tomto příkladu se naše hmotnost rovná gravitaci, tedy přibližně 500N!

Přetížení – poměr hmotnosti a gravitace

Archimédova síla

Síla vzniká v důsledku interakce tělesa s kapalinou (plynem), kdy je ponořeno do kapaliny (nebo plynu). Tato síla vytlačuje tělo z vody (plynu). Proto směřuje svisle nahoru (tlačí). Určeno podle vzorce:

Ve vzduchu zanedbáváme sílu Archiméda.

Pokud je Archimédova síla rovna gravitační síle, těleso se vznáší. Je-li Archimédova síla větší, pak stoupá k povrchu kapaliny, je-li menší, klesá.

Elektrické síly

Existují síly elektrického původu. Vyskytuje se v přítomnosti elektrického náboje. Tyto síly, jako je Coulombova síla, Ampérova síla, Lorentzova síla, jsou podrobně popsány v části Elektřina.

Schematické označení sil působících na těleso

Často je tělo modelováno jako hmotný bod. Proto jsou v diagramech různé body aplikace přeneseny do jednoho bodu – do středu a tělo je schematicky znázorněno jako kruh nebo obdélník.

Pro správné označení sil je nutné uvést všechna tělesa, se kterými zkoumané těleso interaguje. Určete, co se stane v důsledku interakce s každým: tření, deformace, přitažlivost nebo možná odpuzování. Určete druh síly a správně uveďte směr. Pozor! Množství sil se bude shodovat s počtem těles, se kterými k interakci dochází.

Hlavní věc k zapamatování

1) Síly a jejich povaha;
2) Směr sil;
3) Umět identifikovat působící síly

Třecí síly*

Existuje vnější (suché) a vnitřní (viskózní) tření. K vnějšímu tření dochází mezi dotykovými pevnými povrchy, k vnitřnímu tření mezi vrstvami kapaliny nebo plynu při jejich vzájemném pohybu. Existují tři typy vnějšího tření: statické tření, kluzné tření a valivé tření.

Valivé tření je určeno vzorcem

Odporová síla vzniká, když se těleso pohybuje v kapalině nebo plynu. Velikost odporové síly závisí na velikosti a tvaru tělesa, rychlosti jeho pohybu a vlastnostech kapaliny nebo plynu. Při nízkých rychlostech pohybu je odporová síla úměrná rychlosti těla

Při vysokých rychlostech je úměrná druhé mocnině rychlosti

Vztah mezi gravitací, gravitačním zákonem a gravitačním zrychlením*

Uvažujme vzájemnou přitažlivost předmětu a Země. Mezi nimi podle zákona gravitace vzniká síla

Nyní srovnejme gravitační zákon a gravitační sílu

Velikost gravitačního zrychlení závisí na hmotnosti Země a jejím poloměru! Je tedy možné vypočítat, s jakým zrychlením budou padat objekty na Měsíci nebo na jakékoli jiné planetě, pomocí hmotnosti a poloměru této planety.

Vzdálenost od středu Země k pólům je menší než k rovníku. Proto je gravitační zrychlení na rovníku o něco menší než na pólech. Zároveň je třeba poznamenat, že hlavním důvodem závislosti gravitačního zrychlení na zeměpisné šířce oblasti je skutečnost, že Země rotuje kolem své osy.

Jak se vzdalujeme od zemského povrchu, mění se gravitační síla a gravitační zrychlení nepřímo úměrně druhé mocnině vzdálenosti ke středu Země.