Сила тяжести. Реакция опоры. Вес тела

Поднимем брусок массы m над поверхностью стола и отпустим. Брусок падает с ускорением , т. е. на него со стороны Земли действует сила.

Сила тяжести () – сила, сообщающая телу ускорение свободного падения.

· Сила тяжести направлена вертикально вниз (перпендикулярно касательной к поверхности Земли).

Согласно второму закону Ньютона

· Центр масс (тяжести) тела – точка приложения силы тяжести.

Положим брусок на неподвижный стол. На брусок действуют: сила тяжести и реакция опоры .

Реакция () – сила действия опоры (подвеса) на тело.

Тело находится в покое, .

Подвесим брусок на нити. Сила уравновешена реакцией нити . Таким образом, сила тяжести компенсирована реакцией опоры или подвеса.

Вес тела () – сила, с которой тело действует на опору или подвес вследствие притяжения к Земле.

· По третьему закону Ньютона: .

· Природа этих сил – электромагнитная и обусловлена электрическими зарядами (гл. 5).

· Вес тела и сила тяжести приложены к разным телам.

Невесомость. Перегрузка

При движении тела в вертикальном направлении с ускорением вес тела и сила тяжести не будут одинаковы. Из и Þ .

При движении тела с ускорением , направленным вниз, и сонаправлены, т. е.: .

Если , то Р = 0 и наблюдается невесомость.

Невесомость – исчезновение веса тела при движении опоры с ускорением свободного падения.

· За пределами земной атмосферы, при выключении двигателей, на космический корабль действует только сила тяжести. Корабль и все тела в нём движутся в невесомости с ускорением свободного падения.

Если направлено вертикально вверх, то и сонаправлены, и антипараллельны и .

Перегрузка – увеличение веса тела при движении опоры с ускорением вверх.

Сила упругости. Закон Гука

Закрепим металлическую линейку на двух неподвижных опорах. К её середине подвесим гирьку. Линейка прогнулась. Вес гирьки уравновешен некоторой силой.

Сила упругости () – сила, возникающая в теле при деформации.

Добавим ещё одну гирьку. Прогиб линейки увеличится. Увеличение веса груза компенсировано увеличением силы упругости.

Рассмотрим стержень, один конец которого закреплён. Ось Х направим вдоль стержня и приложим силу , растягивая стержень вдоль оси Х на .

Из опыта следует, что , т. е. F = kx, где k – коэффициент жесткости (упругости); х – абсолютная деформация (удлинение, сжатие).

· Для разных тел k принимает разные значения.

В стержне возникает сила упругости .

Связь между и была установлена Робертом Гуком (1635–1703, Англия) и известна как закон Гука: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна его абсолютной деформации и направлена в сторону, противоположную перемещению частиц тела: .

В твёрдом теле силы притяжения между атомами уравновешены силами отталкивания. При деформации связи атомов подвергаются изменяющим воздействиям и возникают силы, направленные на поддержание этих связей. Силы упругости обусловлены электрическими зарядами и являются электромагнитными силами (гл. 5).

Сила трения

Положим брусок на стол, прикрепим к нему динамометр и попытаемся привести в движение. Растяжение пружины динамометра покажет, что на брусок действует сила , но он не движется, т. е. уравновешена некоторой силой.

Сила трения покоя () – сила, возникающая на границе соприкосновения тел при отсутствии их движения относительно друг друга.

.

Увеличим так, чтобы брусок равномерно двигался по столу. Динамометр покажет новое значение силы , действующей на брусок. При равномерном движении равнодействующая сил, приложенных к бруску, равна . Значит, на брусок действует сила, равная силе по модулю и антипараллельная ей – сила трения скольжения (или просто сила трения).

; .

Сила трения скольжения () – сила, возникающая на границе соприкосновения тел при их движении относительно друг друга.

· всегда направлена противоположно направлению движения тела, обусловлена взаимодействием атомов тел и её относят к электромагнитным силам (гл. 5). Из опытов известно, что она не зависит от площади соприкосновения тел и прямо пропорциональна реакции опоры:

.

· – коэффициент трения (зависит от материалов трущихся поверхностей).

· Опыт показывает что: 1) максимальное значение силы трения покоя практически равно значению силы трения скольжения; 2) при малых скоростях она не зависит от скорости.

· Сила трения возникает и при качении тела. Сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения, поэтому в технике большое распространение получили колёса и подшипники качения.

1.3.7. Работа и энергия

Количество потребляемой энергии – один из главных показателей технического развития общества. Производство, распределение и потребление энергии невозможно без её преобразования из одного вида в другой. В данном разделе рассмотрены виды механической энергии и связь между изменением энергии и работой.

Работа. Мощность

Если под действием постоянной силы тело совершило перемещение , то говорят, что силой совершена работа.

Работа (А) – скалярное произведение векторов силы и перемещения .

где a – угол между и ; – проекция на направление.

[ А ] = 1 Н×м = Дж – джоуль

Мощность (N) – скорость совершения работы.

– ватт

Энергия

Механическая система – совокупность материальных точек, взаимодействующих друг с другом и телами, не входящими в эту совокупность.

Пусть имеются две механические системы M (M₁.....M _n) и N (N₁.....N _n) и надо перевести систему М в полное тождество с системой N. Для этого к точкам M₁.....M _n необходимо приложить силы ...... , под действием которых точки M₁.....M _n изменят свои скорости и координаты.

Совокупная работа сил ...... : .

После совершения работы система перейдёт из одного состояния в другое. Тогда работа – физическая величина, характеризующая процесс перехода механической системы из одного состояния в другое.

Можно говорить, что существует некий параметр механической системы, изменение которого равно совершённой работе А.

Механическая энергия (Е) – параметр механической системы, изменение () которого равно совершённой работе (A). = A (*).

, Дж

где Е ₁ – механическая энергия системы в начальном состоянии;

Е ₂ – механическая энергия системы в конечном состоянии.

· Изменение энергии может быть как положительным, так и отрицательным, т. е. .

· Из (*) вытекает: работа – мера изменения механической энергии системы.

Кинетическая энергия

Пусть тело совершает перемещение под действием постоянной силы , причём и сонаправлены. Тогда A = F×S.

Из и (*).

Из (*) и Þ и .

Кинетическая энергия (Е _к) – половина произведения массы тела на квадрат его скорости.

· Кинетическая энергия – энергия движения.

Тогда или , т. е. если сила совершает положительную работу, то кинетическая энергия тела возрастает, и обратно.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия (Е _п) – энергия взаимодействия тел или частей тела.

Нулевой уровень потенциальной энергии (НУПЭ) – состояние системы, в котором Е _п = 0.

Нулевой уровень потенциальной энергии взаимодействия тела с Землёй (НУПЭЗ) – горизонтальная плоскость, на которой принимается E _п системы тело–Земля равной нулю.

1.3.7.4.1. Потенциальная энергия взаимодействия тела с Землёй

Пусть тело массы m под действием силы тяжести переместилось с высоты h ₁ до высоты h ₂ без изменения скорости. Работа силы тяжести или .

Потенциальная энергия взаимодействия тела с Землей (E _п) – произведение силы тяжести тела на высоту h положения центра масс тела относительно НУПЭЗ.

· Система совершает положительную работу за счет уменьшения своей потенциальной энергии.

Когда направления и не совпадают: , т.е. работа силы тяжести зависит только от разности высот и не зависит от траектории.

· При движении вниз работа силы тяжести положительна, вверх – отрицательна, по замкнутому контуру – равна нулю.

· Потенциальная энергия может быть отрицательной. Её знак зависит от выбора нулевого уровня потенциальной энергии.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: