Силы в механике (инерциальные системы отсчета)
Рис. 1. Силы, действующие на тело
1. Сила притяжения тела к Земле – . Направлена вертикально вниз, приложена к центру масс (см. Рис. 1).
2. Сила нормальной реакции опоры – . Направлена перпендикулярно плоскости опоры или тела в точке контакта – в точке пересечения
с поверхностью опоры (см. Рис. 1).
Проводить на чертеже эту силу из центра масс (т. C) допустимо только в том случае, если в условии задачи сказано, что тело можно принять за материальную точку.
3. Сила трения – . Пропорциональна силе реакции опоры и перпендикулярна ей (см. Рис. 1).
,
где – коэффициент трения.
Сила трения направлена по касательной к поверхности против движения.
4. Обобщенная сила реакции опоры – .
На чертеже необходимо проследить за тем, чтобы при векторном сложении результирующая (
) проходила через центр масс (т. C) (см. Рис. 1).
5. Сила упругости –
– сила упругости в проекции на ось X направлена противоположно растяжению (x) и прямо пропорциональна ему.
– коэффициент упругости (коэффициент жесткости, или жесткость пружины).
6. Сила сопротивления –. Направлена противоположно скорости.
,
где – коэффициент сопротивления.
Сила сопротивления зависит от величины скорости и приложена к центру масс тела.
Например, парашютист выполняет затяжной прыжок (см. Рис. 2). Выпрыгивая из самолета, он некоторое время летит с ускорением. То есть сначала скорость увеличивается, а затем принимает постоянное значение. Это объясняется тем, что сила сопротивления растет с увеличением скорости и в какой-то момент приобретает значение, равное силе тяжести. И сила тяжести больше не может вызвать ускорение.
Рис. 2. Силы, действующие на парашютиста
Силы в механике (неинерциальные системы отсчета)
7. Сила инерции –
,
где – ускорение системы отсчета.
Например, если автобус движется вперед с ускорением относительно Земли, то в системе отсчета, связанной с автобусом, на человека будет действовать сила инерции (см. рис.3), которая отталкивает его назад. Эта сила направлена противоположно ускорению.
Рис. 3. Сила инерции, действующая на человека в автобусе
8. Сила тяжести –
9. Вес тела –
Вес тела – это сила, из-за которой под действием силы тяжести () тело давит на опору или растягивает подвес. Вес приложен к опоре или к нити (к подвесу). Численно вес тела равен силе тяжести, рассмотренной в пункте 8.
Задача 1
Автомобиль трогается с места и движется с ускорением . Чему равен вес водителя, если его масса –
?
Дано: ;
Найти: P
Решение
К центру масс водителя приложена сила тяжести (), которая образована двумя силами: силой гравитационного притяжения (
) и силой инерции (
). Сила тяжести вызывает действие на сиденье силы
– это вес тела. Вес тела, согласно третьему закону Ньютона, вызывает силу реакции опоры (
) (см. Рис. 4).
Рис. 4. Иллюстрация к задаче
В формуле присутствует разность векторов, направленных перпендикулярно друг другу. Модуль результирующего вектора найдем по теореме Пифагора:
Задача 2
Автомобиль массой 1,2 т движется равномерно по горизонтальной дороге при коэффициенте сопротивления 0,05. Найти силу тяги двигателя. Варианты ответа: 1. 600 Н; 2. 1200 Н; 3. 3 кН; 4. 12 кН
Дано: ;
Найти: (см. Рис. 5)
Решение
Рис. 5. Иллюстрация к задаче
При равномерном движении силы должны быть уравновешены, следовательно:
Ответ: 1. 600 Н.
Задача 3
Под действием груза массой 1 кг пружина растягивается на 2 см. Найти коэффициент упругости пружины. Варианты ответа: 1. ; 2.
; 3.
; 4.
.
Дано: ;
Найти: k
Решение
Сила притяжения к Земле растягивает пружину вниз, а сила упругости направлена вверх (см. Рис. 6).
Рис. 6. Иллюстрация к задаче
Сила упругости равна по величине силе притяжения к Земле:
Ответ: 4. .
Список литературы
- Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
- А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10–11. – М.: Дрофа, 2006.
- О.Я. Савченко. Задачи по физике. – М.: Наука, 1988.
- А.В. Перышкин, В.В. Крауклис. Курс физики. Т. 1. – М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.
- Орлов В.А., Демидова М.Ю., Никифоров Г.Г., Ханнанов Н.К. Оптимальный банк заданий для подготовки к ЕГЭ. Единый государственный экзамен 2015. Физика. Учебное пособие. – М.: Интеллект-Центр, 2015
Домашнее задание
- Упражнение 7 (2, 3) (стр. 57) – Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10 (см. список рекомендованной литературы)
- Тело массой m покоится на наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол α. Чему равна сила трения, действующая на тело?
- Тело массой
, движущееся на восток, тормозится постоянной силой
, направленной на запад. Чему равно и куда направлено ускорение тела?
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет