Динамика. Силы в природе
Основные положения:
Динамика изучает движение материальных тел под действием приложенных к ним сил. В основе динамики лежат законы механики Ньютона, из которых получаются все уравнения и теоремы, необходимые для решения задач динамики.
Первый закон Ньютона отражает свойство инерции, тел и часто называется законом инерции. Он утверждает, что всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Этот закон выполняется только в инерциальных системах отсчета.
Инерциальная система отсчета –это та система, относительно которой тело при компенсации внешних воздействий сохраняет свою скорость постоянной.
Неинерциальной системой отсчета называется система отсчета, в которой свободная материальная точка не сохраняет скорость движения постоянной.
Воздействие одного физического тела на другое характеризуется физической величиной, называемой силой. Сила, действующая на тело, сообщает ему ускорение. Величина полученного ускорения пропорциональна приложенной силе. Свойство тела требовать некоторого времени для изменения своей скорости называют инертностью тела. Свойство инертности позволяет нам измерять массу тел и другим способом – методом взаимодействия. Он основан на сравнении инертных свойств изучаемого тела и гирь.
Физическая величина, являющаяся мерой инертности тела, называется массой тела.
Единица массы в СИ – 1 кг.
В механике Ньютона считается, что:
1) масса тела не зависит от скорости его движения;
2) масса тела равна сумме масс всех частиц, из которых оно состоит.
3) Закон сохранения массы: при любых процессах, протекающих в системе тел, ее масса остается неизменной.
Второй закон Ньютона может быть записан в форме:
.
Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально массе этого тела.
Третий закон Ньютона имеет дело со взаимодействующими телами. Он утверждает, что силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению.
В 1687 г. Ньютон на основании уже обнаруженных к тому времени на опыте законов движения планет установил, что всякие два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Например, материальная точка с массой m1, находящаяся на расстоянии r от другой материальной точки с массой m2, будет притягиваться последней с силой:
.
Сила, возникающая при деформации тела, — упругая сила.
Закон Гука:Сила упругости, возникающая при деформации, прямо пропорциональна величине деформации и направлена противоположно ей.
Fх=-k x,
где k — коэффициент пропорциональности, а x — величина деформации тела; x > 0 при растяжении тела, x < 0 — при сжатии.
Сила трения –это сила, возникающая при непосредственном соприкосновении движущихся тел. Сила трения, действующая на тело, направлена в сторону, противоположную его скорости. Сила трения скольжения противоположна направлению силы, заставляющей тело скользить. В то время как сила F = P sinα, сила трения
FTP = μ·N = μ·P·cosα,
μ – коэффициент трения.
Контрольные вопросы:
1. Чем отличается рассмотрение движения в кинематике и динамике?
2. Сформулировать 1 закон Ньютона.
3. Что называют инерциальной системой отсчета?
4. Что такое инертность?
5. Сформулировать 2 закон Ньютона.
6. Сформулировать 3 закон Ньютона.
7. Дать определение силы. Ее единицы измерения.
8. Сформулировать закон всемирного тяготения.
9. Что такое вес тела? В каких случаях тело испытывает перегрузки, в каких случаях наступает невесомость?
10. Как возникают силы упругости?
11. Что такое деформация? Виды деформаций (примеры).
12. Сформулировать закон Гука.
13. Когда возникает сила трения? Как она направлена?
Выполните задания:
1. Перечислите типы взаимодействия между материальными объектами (привести примеры).
2. Заполните таблицу:
| Виды сил | Формула | Закон (определение силы) | Постоянный коэффициент |
| Сила всемирного тяготения | |||
| Сила тяжести | |||
| Сила упругости | |||
| Сила трения | |||
| Вес тела |
3. Решите задачи:
1. Подвешенное к тросу тело массой 10 кг поднимается вертикально. С каким ускорением движется тело, если сила натяжения троса равна 118 Н?
2. Какую силу нужно приложить для равномерного подъема вагонетки массой 600 кг по эстакаде с углом наклона 20°?
Задания для самостоятельной работы:
1. Парашютист массой 80 кг падает в воздухе с ускорением а. Найти силу сопротивления воздуха.
| Вариант | ||||||||||||
| а, м/с2 | 7,5 | 7,8 | 5,5 | 7,7 | 6,6 | 4,9 | 4,8 | 6,8 |
2. Сила гравитационного взаимодействия двух тел массой m1 и m2, находящихся на расстоянии r друг от друга, равна F. Определите величину, обозначенную звездочкой.
| Вариант | ||||||||||||
| m1, кг | * | * | * | |||||||||
| m2, кг | * | * | * | |||||||||
| F, Н | * | * | * | |||||||||
| r, м | 0,5 | 0,6 | * | 0,7 | 0,4 | 0,5 | * | 0,6 | 0,7 | 0,4 | * | 0,5 |
3. Какую силу нужно приложить к концу проволоки, жесткость которой k, чтобы растянуть ее на ∆х?
| Вариант | ||||||||||||
| k, кН/м | ||||||||||||
| ∆х, мм | 6,5 | 7,5 |