0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как определить силу воздействия

Сила как мера взаимодействия

Содержание статьи

  • Сила как мера взаимодействия
  • Гравитационные силы: понятие и особенности применения формулы
  • В чем разница между центробежной и центростремительной силой

Что такое сила?

Сила – это физическая величина, значение которой определяет количественное воздействие одного тела на другое. В системе СИМ сила измеряется в ньютонах. Основная характеристика силы – количественная, однако значение имеет также и направление. Сила – векторная величина. Земное притяжение – наиболее характерный пример воздействия гравитационных сил. Во второй половине 17 века великий британский физик Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, который гласит, что сила гравитации зависит от массы взаимодействующих тел и расстояния между ними.

Сила тяжести – явление, с которым люди сталкиваются каждую секунду, на этом явлении построена вся человеческая жизнь. Силой тяжести называется сила, с которой происходит притяжение всех тел Землей. У силы тяжести как у векторной величины есть направленность: всегда к центру земли. Опытным путем было установлено, что сила притяжения прямо пропорциональна массе притягиваемого тела. Сила притяжения воздействует даже на большие расстояния. Существует гипотеза, что в ходе образования Галактики некоторый период Луна обладала атмосферой так же, как и Земля сейчас. Однако из-за того, что Земля обладает вчетверо большей массой, чем Луна, вся атмосфера Луны перешла к Земле под воздействием силы притяжения.

Виды взаимодействия тел

В природе существует не только гравитационное взаимодействие. Электрическая и магнитная энергия также оказывает воздействие на тела. Простейшие электрические явления происходят и в повседневной жизни. К примеру, при расчесывании волосы часто «липнут» к расческе, рукам, лицу – налицо эффект накопления статического электрического заряда. Еще в Древней Греции был известен опыт с янтарем, потертым о мех, который после этого начинал притягивать мелкие предметы. Янтарь по-гречески «электрон», поэтому само явление до сих пор называется электричеством.

Притягивание, или наэлектризованность – это характеристика, которой предметы могут обладать с разными сроками. Тела, способные притягивать другие тела длительное время, называются постоянными магнитами. Как и наэлектризованный предмет, магнит притягивает тела с определенной силой. Постоянные магниты известны своими свойствами: обязательным наличием двух полюсов – северного и южного; тем, что сила притяжения больше именно на полюсах; фактом притяжения разноименных полюсов и отталкивания одноименных. Планета Земля также обладает мощным магнитным полем, поэтому в свою очередь «подчиняет» себе все существующие постоянные магниты. На практике это выражается тем, что подвешенный на нитке магнит обязательно развернется так, что своими полюсами будет указывать на север и юг.

Действия силы в физике

Здесь изложена попытка посмотреть на известные физические законы движения тел и действия сил несколько по новому.
Автор не настаивает на прочтении этой статьи, но настаивает на соблюдении Закона об авторских правах.

1. С И Л А
Сила это фактор воздействия на тело. Всякое тело, которое движется, когда-то испытало действие силы.
11. Сила не может возникнуть ниоткуда, сама по себе. Нужен источник силы.
Источником силы может быть:
— внешнее воздействие
— само тело
1.2. Основные внешние источники возникновения силы:
— движение внешнего тела при столкновении, в том числе действие ветра и воды.
— мускульная сила человека и животных
— сила гравитации или электромагнитных полей
— расширение тел и газов при нагревании, сгорании и взрыве.
— изменение объемов при переходе из одного агрегатного состояния в другое.
— выталкивающие силы (Архимеда)
— разница давлений в средах и пр.
— энергия скрытая в материи.
1.3. Само тело содержит силу инерции и реактивную силу.
1.4. Силой могут так же называться факторы, оказывающие сопротивление или противодействие:
трение, упругость тела, сопротивление среды и инерция.

2. Признаки действия силы:
2.1. Движение тела с изменением скорости и направления.
2.2. Деформация или нагрев тела.
2.3. Движение без изменения направления и скорости, но с преодолением другой силы или сопротивления среды.

3.Первичные условия действия силы.
3.1. Для действия силы необходимы: источник силы и две точки опоры, как место приложения силы.
3.2. Во всех случаях действия силы мы имеем, как минимум, одну силу и две точки опоры.
Направление действия силы происходит по прямой, проходящей через точки опоры.
Как следствие этого движение, возникшее в результате действия силы, всегда прямолинейно.
3.3.Действовать, как сила, может лишь то, что является источником силы.
Например, мы, находясь в лодке, отталкиваемся палкой от берега.
Говорят, что палка действует на берег, а берег, рождая силу противодействия, действует на палку.
Это не совсем верно. Берег здесь не является источником силы, а является только препятствием — точкой опоры (п.3.1), Так же как и при взлете самолета, крыло испытывает сопротивление воздуха, получает точку опоры и используя силу двигателя, поднимается само себя вверх.
3.4. Действие внешней силы приводит к изменению направления и скорости движения.
Изменение направления движения не приводит к изменению направления действия силы и ее величины.
3.5. Сила, так или иначе, всегда связана с энергией движения и, как энергия, находится в двух состояниях: проявленного через действия и скрытого состояния
( равномерное движение).
4. Трехмерность пространства и действие силы
Пространство, в котором мы обитаем, трехмерно.
Оно образовано тремя координатными перпендикулярными друг другу прямыми линиями.
Пространство рассматривается в следующих четырех системах координат:
— нульмерное — точка
— линейное
— двухмерное
— трехмерное
При нульмерном пространстве – действие силы отсутствует.
Внешние силы действующие на тело, при условии свободы их действия, действуют по линиям трехмерной системы координат.

4.1. Линейное пространство. Действие силы первого порядка. Линейная сила.
Основная линейная сила действует по прямой ( Второй закон Ньютона.)
Другие силы ( силы трения, сопротивления или инерции) так же действуют линейно по той же прямой — влияют на скорость движения, но не меняют направления. Они или складывается с основной или вычитаются из нее.

Читать еще:  Как применяется прополис для повышения потенции

4.2. Двухмерное пространство действия силы второго порядка это баллистическое, круговое движение, подъемная сила крыла и пропеллера.
Сила, которая изменяет направление движения, действует только перпендикулярно первой – образующей движение.
Например. Тело движется в космическом пространстве, оно попадает в поле гравитации планеты, изменяет траекторию и в определенный момент,
когда направление инерции движения станет перпендикулярно силе гравитации, система станет устойчивой, а тело – спутником планеты.
При этом линейная сила, и действующая к ней под прямым углом (отклоняющая ) сила второго порядка не оказывают никакого влияния друг на друга и действуют независимо.

4.3. Действие силы третьего порядка это, например, действие бокового ветра при баллистическом движении, действует по отношению к другим также как вторая к первой.

Комментарии автора. Приведенная модель является не описанием известного способа определения результирующей силы путём геометрического сложения действующих сил, а выявленным свойством природы действия сил, которое состоит в том, что силы действуют или по одной прямой или перпендикулярно друг другу.

4.4. При действии сил перпендикулярно друг другу ( например вращательное движение) их взаимное силовое влияние друг на друга не происходит. Взаимное влияние: увеличение от сложения или уменьшение от противодействия происходит при угле действия меньше или больше 90 градусов.

5. Сила гравитации. Закон тяготения.

5.1. Сила гравитации это сила взаимного притяжения, возникающая между двумя телами. При этом гравитация понимается, как сила. Тела, как точки опоры, необходимые для действия силы гравитации. (п.3.1)
Уточнение формулировки:
Не тела притягиваются друг другу силой, а сила притягивает два тела.
Масса здесь понимается как эквивалентное количество вещества, дающее количество точек опоры для действия силы.

5.2. Таким образом, тяготение следует понимать следующим образом
его основа — первичная гравитационная сила (ГС) возникающая между двумя материальными точками
Для вычислений можно следует принять эталонную ГС – силу, которая возникает между
двумя материальными точками или эталонными массами, на эталонном расстоянии (радиус Земли) и конечно с учетом гравитационной постоянной.
5.3. Для вычисления силы гравитации (притяжения) на Земле, следует принять эталонную силу гравитации (F) с который Земля притягивает одну единицу массы тела на радиусе (поверхности) Земли . Исчисление силы притяжения тела производить пропорционально числу (n)единиц массы тела.
Притяжение тела на земле будет вычисляться, как F х n
Вычисление силы гравитации в других случаях проводить пропорционально изменению
массы участвующих тел и расстояния в соответствии с трактовкой закона Ньютона.

6. Вектор силы при движении тела
6.1. Сила это условие (первопричина) для движения. Об этом говорил еще Аристотель в трактате «Физика».
6.2. Тело, если на него не не действуют силы, всегда стремится двигаться прямолинейно п.3.2.
Сила, как фактор внешнего воздействия, имеет вектор направления.
Сила, как инерция тела, тоже имеет вектор. Если два этих вектора совпадают по направлению, то тело тоже движется прямолинейно.
Если вектор инерции и вектор внешней силы действуют под углом, то тело движется криволинейно.

6.3. Сила, действующая на изменение направление движения при круговом движении вызывает инерционное силовое противодействие вращению, которое воспринимается как центробежная сила, но в природе своей есть проявленное стремление тела к прямолинейному движению.
6.3. Тело при воздействии на него нескольких сил, всегда движется в сторону действия результирующей силы.
7. Силы при соударении тел.
7.1. Тело при своем движении обладает энергией движения, которая выделяется в виде действующей силы при соударении с другим телом.
7.2. Сила соударения зависит от массы тел и их относительной скорости движения.

8. Изменение скорости при внешнем действии силы.
Итак. Сила, как мы уже говорили, выступает в двух состояниях : как внешнее воздействие (второй закон Ньютона) и как свойство самого тела (инерция)

Рассмотрим на примере.
Тело (автомобиль) находится неподвижно на поверхности Земли, но оно фактически движется вместе с вращающейся Землей с некой скоростью Vo.
Двигатель разгоняет автомобиль с ускорением по формуле
m х a = F
достигает скорости V1 (100 км/час), затем действие силы прекращается и автомобиль движется по инерции.
Здесь две силы.
Первая это сила инерции m Vo
вторая сила внешнего воздействия F ? , которая становится силой инерции
m х V1.
Таким образом масса умноженная на скорость это сила инерции.
А масса умноженная на ускорение это сила внешнего воздействия.

9. Сила инерции.
Можно рассмотреть движение тела с такой точки зрения. Масса в теле присутствует всегда. А вот состояния покоя только относительно. Всякое тело относительно чего-либо движется. Таким образом, всякое тело имеет такие параметры своего движения, как массу умноженную на ускорение или, как массу умноженную на скорость, например, одномоментную или постоянную. А состояния покоя — нет. Оно условно. Таким образом, нет и силы инерции, которая присуща только массе в состоянии покоя. И вместо силы инерции надо называть и понимать только массу.

Мы не можем в одном случае говорить, что Сила содержит массу и ускорение, а другом случае есть только масса, а ускорение — ноль и это снова сила «сила инерции». Это уже абсурд.

И тогда будет только масса, которая находится в движении с определенной скоростью и вектором и внешняя сила, изменяющая вектор или относительную скорость.
А «сила инерции» понятие условное, равное массе.

Что такое сила тяги и по какой формуле её находить ?

Разберёмся в вопросе, что такое сила тяги. Как следует из самого названия – это сила, которую необходимо прикладывать к телу, чтобы оно находилось в состоянии постоянного движения.

Если её убрать, то тело, будь то автомобиль, электровоз, космическая ракета или санки, со временем остановится. Это произойдёт потому, что на тело всегда действуют силы, которые заставляют его стремиться к состоянию покоя:

  • силы трения (покоя, качения, скольжения),
  • сопротивления воздуха (газа),
  • сопротивления воды и др.

Первый и второй законы Ньютона

Обратимся к законам Ньютона, которые хорошо описывают механическое движение тел. Из школьной программы мы знаем, что есть первый закон Ньютона, который описывает закон инерции. Он гласит, что любое тело, если на него не действуют силы, или если их равнодействующая равна нулю, движется прямолинейно и равномерно, или же находится в состоянии покоя. Это означает, что тело, пока на него ничто не действует, будет двигаться с постоянной скоростью v=const или пребывать в состоянии покоя сколько угодно долго, пока какое-то внешнее воздействие не выведет тело из этого состояния. Это и есть движение по инерции.

Читать еще:  Проблема с потенцией к какому врачу обратиться

Надо сказать, что этот закон справедлив лишь в так называемых инерциальных системах отсчёта. В неинерциальных системах отсчёта этот закон не действует и нужно использовать второй закон Ньютона. В таких системах отсчёта тело тоже будет двигаться по инерции, но оно будет двигаться с ускорением, стремясь сохранять своё движение, т.е. на него также не будут действовать никакие внешние силы, кроме силы инерции, стремящейся двигать тело в том направлении, в каком оно двигалось до воздействия. Тут мы приходим к рассмотрению второго закона Ньютона, который также справедлив в инерциальных системах отсчёта, т. е. в таких системах отсчёта, в которых тело движется с постоянной скоростью либо находится в покое.

Этот закон утверждает, что для того, чтобы вывести тело из состояния покоя или равномерного движения, к нему необходимо приложить силу, равную F=m•a, где m — это масса тела, a — ускорение, сообщаемое телу. Зная эти законы, можно рассчитать силу тяги (двигателя автомобиля, ракетного двигателя или, например, лошади, тянущей нагруженную повозку).

Примеры из жизни

Насколько вы сильны?

Рассмотрим простейший пример. Ваш ребёнок сел на санки и просит вас его покатать. С какой силой вам нужно тянуть эти санки, чтобы ребёнок остался доволен быстрой ездой ? Пока санки с ребёнком остаются в состоянии покоя, все силы, действующие на них, уравновешены. Состояние покоя — это частный случай инерции. Здесь на санки действуют две силы: тяжести Fт = m•g, направленная вертикально вниз, и нормального давления N, направленная вертикально вверх. Поскольку санки не движутся, то N – m•g = 0. Тогда из этого равенства следует, что N = m•g.

Когда вы решили покатать своего ребёнка, вы прикладываете силу тяги (Fтяги) к санкам с ребёнком. Когда вы начинаете тянуть санки, возникает сопротивление движению, вызванное силой трения (Fтр.), направленной в противоположную сторону. Это так называемая сила трения покоя. Когда тело не движется, она равна нулю. Стоит потянуть за санки — и появляется сила трения покоя, которая меняется от нуля до некоторого максимального значения (Fтр. max). Как только Fтяги превысит Fтр.max, санки с ребёнком придут в движение.

Чтобы найти Fтяги, применим второй закон Ньютона: Fтяги – Fтр.max = m•a, где a – ускорение, с которым вы тянете санки, m – масса санок с ребёнком. Допустим, вы разогнали санки до определённой скорости, которая не изменяется. Тогда a = 0 и вышеприведённое уравнение запишется в виде: Fтяги – Fтр. max = 0, или Fтяги = Fтр.max. Есть известный закон из физики, который устанавливает определённую зависимость для Fтр.max и N. Эта зависимость имеет вид: Fтр.max = fmax • N, где fmax – максимальный коэффициент трения покоя.

Если в эту формулу подставить выражение для N, то мы получим Fтр.max = fmax•m•g. Тогда формула искомой силы тяги примет вид: Fтяги = fmax•m•g = fск•m•g, где fск = fmax – коэффициент трения скольжения, g – ускорение свободного падения. Допустим, fск = 0,7, m = 30 кг, g = 9,81 м/с², тогда Fтяги = 0,7 • 30 кг • 9,81 м/с² = 206,01 Н (Ньютона).

Насколько силён ваш автомобиль?

Рассмотрим ещё пример. У вас есть автомобиль, мощность двигателя которого N. вы едете со скоростью v. Как в этом случае узнать силу тяги двигателя вашего автомобиля ? Поскольку скорость автомобиля не меняется, то Fтяги уравновешена силами трения качения, лобового сопротивления, трения в подшипниках и т. д. (первый закон Ньютона). По второму закону Ньютона она будет равна Fтяги = m•a. Чтобы её вычислить, достаточно знать массу автомобиля m и ускорение a.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v за какое-то время t, проехав расстояние s. Тогда Fтяги будет легко рассчитана по формуле: Fтяги = m•v/t. Как и в примере с санками, справедлива также такая формула: Fтяги = f•m•g, где f – коэффициент трения качения, который зависит от скорости автомобиля (чем больше скорость, тем меньше этот коэффициент).

Но что делать, если масса автомобиля m, коэффициент трения качения f и время разгона t неизвестны ? Тогда можно поступить по-другому. Двигатель вашего автомобиля при разгоне совершил работу A = Fтяги • s. Поскольку формула расстояния имеет вид s = v•t, то выражение для работы будет таким: A = Fтяги • v • t. Разделив обе части этого равенства на t, получим A/t = Fтяги • v. Но A/t = N – это мощность двигателя вашего автомобиля, поэтому N = Fтяги • v. Отсюда уже получим искомую формулу: Fтяги =N/v.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v = 180 км/ч, а мощность его двигателя N = 200 л. с. (лошадиных сил). Чтобы вычислить Fтяги двигателя, необходимо прежде перевести указанные единицы измерения в единицы СИ, т. е. международной системы измерения. Здесь 1 л. с. = 735,499 Вт, поэтому мощность двигателя составит N = 200 л. с. • 735,499 Вт/л. с. = 147099,8 Вт. Скорость в системе СИ будет равна v = 180 км/ч = 180 • 1000 м/3600 с = 50 м/с. Тогда искомое значение будет равно Fтяги = 147099,8 Вт/50 (м/с) = 2941,996 Н

2,94 кН (килоньютона).

Около 3 килоньютонов. Много это или мало ? Допустим, вы жмёте 100 килограммовую штангу. Чтобы её поднять, вам нужно преодолеть её вес, равный P = m•g = 100 кг • 9,81 м/с² = 981 Н (ньютон)

0,98 кН. Полученное для автомобиля значение Fтяги больше веса штанги в 2,94/0,98 = 3 раза. Это равносильно тому, что вы будете поднимать штангу массой в 300 кг. Такова сила тяги двигателя вашего автомобиля (на скорости 180 км/ч).

Читать еще:  Продукты повышающие потенцию

Таким образом, зная школьный курс физики, мы можем с лёгкостью вычислить силу тяги:

  • человека,
  • лошади,
  • паровоза,
  • автомобиля,
  • космической ракеты и всех прочих видов техники.

В нашем видео вы найдете интересные опыты, поясняющие, что такое сила тяги и сила сопростивления.

Как определить силу воздействия

В данном параграфе мы напомним Вам о силе тяжести, центростримительном ускорение и весе тела

На каждое тело, находящееся на планете, действует гравитация Земли. Сила, с которой Земля притягивает каждое тело, определяется по формуле

Точка приложения находится в центре тяжести тела. Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз.

Силу, с которой тело притягивается к Земле под действием поля тяготения Земли, называют силой тяжести. По закону всемирного тяготения на поверхности Земли (или вблизи этой поверхности) на тело массой m действует сила тяжести

где М — масса Земли; R — радиус Земли.
Если на тело действует только сила тяжести, а все другие силы взаимно уравновешены, тело совершает свободное падение. Согласно второму закону Ньютона и формуле F т =GMm/R 2 модуль ускорения свободного падения g находят по формуле

Из формулы (2.29) следует, что ускорение свободного падения не зависит от массы m падающего тела, т.е. для всех тел в данном месте Земли оно одинаково. Из формулы (2.29) следует, что Fт = mg. В векторном виде

В § 5 было отмечено, что поскольку Земля не шар, а эллипсоид вращения, ее полярный радиус меньше экваториального. Из формулы F т =GMm/R 2 видно, что по этой причине сила тяжести и вызываемое ею ускорение свободного падения на полюсе больше, чем на экваторе.

Сила тяжести действует на все тела, находящиеся в поле тяготения Земли, однако не все тела падают на Землю. Это объясняется тем, что движению многих тел препятствуют другие тела, например опоры, нити подвеса и т. п. Тела, ограничивающие движение других тел, называют связями. Под действием силы тяжести связи деформируются и сила реакции деформированной связи по третьему закону Ньютона уравновешивает силу тяжести.

На ускорение свободного падения влияет вращение Земли. Это влияние объясняется так. Системы отсчета, связанные с поверхностью Земли (кроме двух, связанных с полюсами Земли), не являются, строго говоря, инерциальными системами отсчета — Земля вращается вокруг своей оси, а вместе с ней движутся по окружностям с центростремительным ускорением и такие системы отсчета. Эта неинерциальность систем отсчета проявляется, в частности, в том, что значение ускорения свободного падения оказывается различным в разных местах Земли и зависит от географической широты того места, где находится связанная с Землей система отсчета, относительно которой определяется ускорение свободного падения.

Измерения, проведенные на разных широтах, показали, что числовые значения ускорения свободного падения мало отличаются друг от друга. Поэтому при не очень точных расчетах можно пренебречь неинерциальностью систем отсчета, связанных с поверхностью Земли, а также отличием формы Земли от сферической, и считать, что ускорение свободного падения в любом месте Земли одинаково и равно 9,8 м/с 2 .

Из закона всемирного тяготения следует, что сила тяжести и вызываемое ею ускорение свободного падения уменьшаются при увеличении расстояния от Земли. На высоте h от поверхности Земли модуль ускорения свободного падения определяют по формуле

Установлено, что на высоте 300 км над поверхностью Земли ускорение свободного падения меньше, чем у поверхности Земли, на 1 м/с2.
Следовательно, вблизи Земли (до высот нескольких километров) сила тяжести практически не изменяется, а потому свободное падение тел вблизи Земли является движением равноускоренным.

Вес тела. Невесомость и перегрузки

Силу, в которой вследствие притяжения к Земле тело действует на свою опору или подвес, называют весом тела. В отличие от силы тяжести, являющейся гравитационной силой, приложенной к телу, вес — это упругая сила, приложенная к опоре или подвесу (т. е. к связи).

Наблюдения показывают, что вес тела Р, определяемый на пружинных весах, равен действующей на тело силе тяжести Fт только в том случае, если весы с телом относительно Земли покоятся или движутся равномерно и прямолинейно; В этом случае

Если же тело движется ускоренно, то его вес зависит от значения этого ускорения и от его направления относительно направления ускорения свободного падения.

Когда тело подвешено на пружинных весах, на него действуют две силы: сила тяжести Fт=mg и сила упругости Fyп пружины. Если при этом тело движется по вертикали вверх или вниз относительно направления ускорения свободного падения, значит векторная сумма сил Fт и Fуп дает равнодействующую, вызывающую ускорение тела, т. е.

Согласно приведенному выше определению понятия «вес», можно написать, что Р=-Fyп. Из формулы: F т + F уп =mа. с учетом того, что F т =mg, следует, что mg-mа=-F yп . Следовательно, Р=m(g-а).

Силы Fт и Fуп направлены по одной вертикальной прямой. Поэтому если ускорение тела а направлено вниз (т.е. совпадает по направлению с ускорением свободного падения g), то по модулю

Если же ускорение тела направлено вверх (т. е. противоположно направлению ускорения свободного падения), то

Следовательно, вес тела, ускорение которого совпадает по направлению с ускорением свободного падения, меньше веса покоящегося тела, а вес тела, ускорение которого противоположно направлению ускорения свободного падения, больше веса покоящегося тела. Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением, называют перегрузкой.

При свободном падении a=g. Из формулы: P=m(g-a)

следует, что в таком случае Р=0, т. е. вес отсутствует. Следовательно, если тела движутся только под действием силы тяжести (т. е. свободно падают), они находятся в состоянии невесомости. Характерным признаком этого состояния является отсутствие у свободно падающих тел деформаций и внутренних напряжений, которые вызываются у покоящихся тел силой тяжести. Причина невесомости тел заключается в том, что сила тяжести сообщает свободно падающему телу и его опоре (или подвесу) одинаковые ускорения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector