Одиниці сили: Ньютон
Всі ми звикли в житті вживати слово сила в порівняльній характеристиці, кажучи чоловіки сильніше жінок, трактор сильніше автомобіля, лев сильніше антилопи.
Сила у фізиці визначається як міра зміни швидкості тіла, яке відбувається при взаємодії тел. Якщо сила є мірою, і ми можемо порівнювати додаток різної сили, значить, це фізична величина, яку можна виміряти. У яких одиницях вимірюється сила?
Одиниці виміру сили
На честь англійського фізика Ісаака Ньютона, пройшла величезну дослідження в природі існування і використання різних видів сили, за одиницю виміру сили у фізиці прийнятий 1 ньютон (1 Н). Що ж таке сила в 1 Н? У фізиці не вибирають одиниці виміру просто так, а роблять спеціальне узгодження з тими одиницями, які вже прийняті.
Ми знаємо з досвіду і експериментів, що якщо тіло спочиває і на нього діє сила, то тіло під дією цієї сили змінює свою швидкість. Відповідно, для вимірювання сили вибирали одиницю, яка буде характеризувати зміна швидкості тіла. І не забуваємо, що є ще й маса тіла, так як відомо, що з однаковою силою вплив на різні предмети буде різна. М’яч ми можемо кинути далеко, а от булижник відлетить на набагато меншу відстань. Тобто, врахувавши всі фактори, приходимо до визначення, що сила в 1 Н буде прикладена до тіла, якщо тіло масою 1 кг під впливом цієї сили змінює свою швидкість на 1 м/с за 1 секунду.
Одиниця виміру сили тяжіння
Також нас цікавить одиниця виміру сили тяжіння. Так як ми знаємо, що Земля притягує до себе всі тіла на її поверхні, значить, існує сила тяжіння і її можна виміряти. І знову-таки, ми знаємо, що сила тяжіння залежить від маси тіла. Чим більше маса тіла, тим сильніше Земля його притягує. Експериментально встановлено, що сила тяжіння, що діє на тіло масою 102 грами – це 1 Н. А 102 грами – це приблизно одна десята кілограма. А якщо бути більш точним, то якщо 1 кг розділити на 9,8 частин, то ми якраз і отримаємо приблизно 102 грами.
Якщо на тіло масою 102 грама діє сила 1 Н, то на тіло масою 1 кг діє сила 9,8 Н. Прискорення вільного падіння позначають буквою g. І g одно 9,8 Н/кг. Це сила, яка діє на тіло масою 1 кг, прискорюючи його щосекунди на 1 м/с. Виходить, що тіло, падаюче з великої висоти, за час польоту набирає дуже велику швидкість. Чому ж тоді сніжинки і дощові краплі падають досить спокійно? В них дуже маленька маса, і тягне їх до себе земля дуже слабо. А опір повітря для них досить велике, тому вони летять до Землі з не дуже великий, досить однаковою швидкістю. А ось метеорити, наприклад, при підльоті до Землі набирають дуже високу швидкість і при приземленні, утворюється пристойний вибух, який залежить від величини і маси метеорита відповідно.
§ 10. Сила. Маса. Другий і третій закони Ньютона
Уявіть: розігнавшись на спортивному велосипеді, ви припинили крутити педалі. Врешті-решт велосипед обов’язково зупиниться — швидкість його руху поступово зменшиться до нуля. А от час зупинки велосипеда, а отже, і його прискорення суттєво залежать від того, чи натискаєте ви при цьому на гальмо. Тобто те саме тіло в результаті різної дії (взаємодії) набуває різного прискорення. Унаслідок різної дії тіло може також по-різному змінювати свої форму та розміри — деформуватися.
Кількісною мірою взаємодії є сила.
Одиниця сили в СІ — ньютон:
1 Н дорівнює силі, яка, діючи на тіло масою 1 кг, надає йому прискорення 1 м/с 2 .
У фізиці силою називають також дію одного тіла на інше. Наприклад, можна сказати: на м’яч діє сила пружності, — хоча насправді на м’яч діють руки волейболіста, дія яких характеризується силою пружності.
Рис. 10.1. Якщо ви, граючи у волейбол, ударите по м’ячу, то можете прискорити його рух, зупинити, змінити напрямок руху або закрутити — це залежить від напрямку, точки прикладення й сили удару
• Наведіть кілька простих прикладів (рух, спорт, приготування їжі та ін.), коли необхідно замислитися, яку силу (більшу чи меншу) слід прикласти і куди її спрямувати.
2. Чому тіла по-різному реагують на ту саму дію
Зміна швидкості руху тіла залежить не тільки від сили, яка діє на тіло: якщо до тенісного м’яча та метального ядра прикласти однакову силу, швидкість руху ядра зміниться менше або для тієї самої зміни швидкості необхідно буде більше часу. Тобто різним тілам властиво по-різному реагувати на ту саму дію.
Властивість тіла, яка полягає в тому, що для зміни швидкості руху тіла під дією сили потрібен деякий час, називають інертністю.
Чим тіло інертніше, тим меншого прискорення воно набуває внаслідок тієї самої дії. У наведеному вище прикладі ядро інертніше за м’яч, адже внаслідок тієї самої дії воно повільніше за м’яч змінює швидкість свого руху. Інертні властивості тіла характеризує інертна маса тіла.
Будь-яке тіло має також властивість гравітаційно взаємодіяти з іншими тілами. Цю властивість характеризує гравітаційна маса тіла. Інертна маса тіла дорівнює його гравітаційній масі, тому далі говоритимемо просто про масу тіла.
Маса m — фізична величина, яка є мірою інертності та мірою гравітації тіла.
Одиниця маси в СІ — кілограм: [m] = 1 кг (kg).
1 кг дорівнює масі міжнародного еталона кілограма.
Виміряти масу тіла означає порівняти її з масою еталона, тобто з масою тіла, масу якого взято за одиницю. Один із найпоширеніших способів прямого вимірювання маси тіла — зважування (маса — міра гравітації, тому тіла рівної маси однаково притягуються до Землі, а отже, й однаково тиснуть на опору).
Основні властивості маси
1. Маса тіла — величина інваріантна: вона не залежить ані від вибору системи відліку, ані від швидкості руху тіла.
2. У класичній механіці маса тіла — величина адитивна: маса тіла дорівнює сумі мас усіх частинок, із яких складається тіло, а маса системи тіл дорівнює сумі мас тіл, що утворюють систему.
3. У класичній механіці виконується закон збереження маси: в ході будь-яких процесів у системі тіл загальна маса системи залишається незмінною; маса тіла не змінюється під час його взаємодії з іншими тілами.
Зважування — найзручніший спосіб вимірювання маси, однак не універсальний. Як, наприклад, виміряти масу молекули або масу Місяця, адже покласти ці об’єкти на ваги неможливо? У таких випадках використовують той факт, що маса — міра інертності. Якщо на два тіла масами m1 і m2 діють однакові сили, то порівняти маси цих тіл можна, якщо визначити прискорення, набуті тілами в результаті дії цих сил:
• Спробуйте довести останнє твердження, спираючись на другий закон Ньютона, з яким ви ознайомилися в минулому навчальному році. Якщо не вийде, поверніться до цього питання після вивчення пункту 3 § 10.
3. Другий закон Ньютона
Поставимо на тверду горизонтальну поверхню легкорухомий візок і тягнутимемо його за допомогою вантажу. Масу вантажу для кожного досліду добиратимемо так, щоб розтягнення пружин під час руху візка було однаковим. Вимірюючи час t, протягом якого візок долає, наприклад, відстань s = 2 м, визначатимемо прискорення руху візка (a = 2s/t 2 ):
Узявши до уваги, що одиницю сили обирають так, що коефіцієнт пропорційності у виразі а ~ F/m дорівнює 1, сформулюємо другий закон Ньютона:
Прискорення, якого набуває тіло внаслідок дії сили, прямо пропорційне цій силі та обернено пропорційне масі тіла:
• Тіло рухається рівноприскорено прямолінійно тільки тоді, коли рівнодійна сил, прикладених до тіла, не змінюється з часом.
Рис. 10.3. Якщо рівнодійна сил, прикладених до тіла, дорівнює нулю, то тіло перебуває в стані спокою (а) або рухається з незмінною швидкістю (б)
4. Третій закон Ньютона
«Дії завжди існує рівна й протилежна протидія, інакше: дії двох тіл одне на одне між собою рівні й напрямлені протилежно» — так І. Ньютон сформулював свою третю й останню «аксіому руху».
• Які прояви третьої «аксіоми руху» ви зараз «бачите» навколо? з якими «зустрілися» впродовж дня? протягом минулого тижня?
Підкреслимо: «дія» і «протидія» — це завжди сили однієї природи, вони завжди напрямлені вздовж однієї прямої (рис. 10.4) — і сформулюємо третій закон Ньютона в сучасному вигляді:
Тіла взаємодіють із силами, що мають одну природу, напрямлені вздовж однієї прямої, рівні за модулем і протилежні за напрямком:
Рис. 10.4. Сили, що виникають під час взаємодії, мають одну природу, напрямлені вздовж однієї прямої, рівні за модулем і протилежні за напрямком
5. Чи зміг би Мюнхгаузен витягнути себе за косицю з болота
За будь-якої взаємодії двох тіл виникає пара рівних за модулем і протилежних за напрямком сил. І дуже добре, що ці сили не мають рівнодійної, адже вони прикладені до різних тіл і тому не можуть зрівноважити (компенсувати) одна одну, інакше ми були б приречені на нерухомість або на безперервний рівномірний прямолінійний рух.
• То чи зміг би барон Мюнхгаузен, герой відомого твору Р. Е. Распе, витягнути себе з болота за волосся? А як зміг би?
Підбиваємо підсумки
Контрольні запитання
1. Охарактеризуйте силу та масу як фізичні величини. 2. Дайте означення інертності. 3. На яких властивостях тіла ґрунтується кожний зі способів вимірювання маси? 4. Від яких чинників залежить прискорення руху тіла? 5. Сформулюйте другий закон Ньютона. 6. Як записати другий закон Ньютона, якщо на тіло діють кілька сил? 7. Сформулюйте третій закон Ньютона. Наведіть приклади його прояву. 8. Коли пара сил, що виникають під час взаємодії двох тіл, зрівноважують одна одну?
1. Завдяки інертності можна зекономити автомобільне пальне. Як і чому це можливо?
2. Чи буде рухатися візок (див. рисунок), якщо магніти досить потужні? Відповідь обґрунтуйте.
3. Більярдна куля під дією двох взаємно перпендикулярних сил 0,81 і 1,08 Н набуває прискорення 5 м/с 2 . Визначте масу кулі.
4. Із 1 січня 2018 р. в Україні діє закон, що обмежує швидкість руху транспортних засобів у населених пунктах 50 км/год, тоді як раніше було 60 км/год. У скільки разів сила удару в разі ДТП буде меншою, якщо шлях, який проходить транспортний засіб до зупинки, залишиться тим самим?
5. Дайте відповіді на запитання, поставлені на початку § 10.
6. Поясніть твердження: «Інертність — це властивість тіла, інерція — це явище природи».
7. Хлопець масою 60 кг стрибає з висоти 1,8 м. Із якою силою ноги хлопця вдаряться об землю, якщо він: 1) не зігнув коліна і час зупинки склав 0,1 с? 2) зігнув коліна, внаслідок чого час зупинки збільшився в 10 разів?
8. Класична задача. Кінь тягне віз. Відповідно до третього закону Ньютона: з якою силою кінь тягне віз, із такою самою силою віз тягне коня. Чому ж тоді віз рухається за конем, а не навпаки?
9. Придумайте кілька простих задач на застосування другого та третього законів Ньютона. Оформте і розв’яжіть отримані задачі. Скористайтеся додатковими джерелами інформації, щоб дані в умовах задач були реальними.
Експериментальне завдання
Запропонуйте кілька експериментів для перевірки третього закону Ньютона. Проведіть такі експерименти.
Фізика і техніка в Україні
Олег Костянтинович Антонов (1906-1984) — видатний український радянський літакобудівник, провідний авіаконструктор СРСР, академік АН УРСР і АН СРСР. О. К. Антонов — один із засновників радянського планеризму. Він створив понад 50 типів планерів, на яких було встановлено численні світові рекорди. Проте світову славу О. К. Антонов здобув як конструктор надійних пасажирських і транспортних літаків.
Із 1946 р. О. К. Антонов — головний, а з 1967 р. — генеральний конструктор дослідно-конструкторського бюро, яке зараз має назву Державне підприємство «Антонов».
Під керівництвом О. К. Антонова розроблено транспортні літаки Ан-8, Ан-12, Ан-22, Ан-26, Ан-32, Ан-72, багатоцільові літаки Ан-2, Ан-14, пасажирські літаки Ан-10, Ан-24 та ін. Транспортні літаки Ан-124 «Руслан» і Ан-225 «Мрія» і сьогодні незамінні для перевезень великогабаритних вантажів.
НАНУ заснувала премію ім. О. К. Антонова за видатні досягнення в галузі технічної механіки та літакобудування.
Яка сила дорівнює 1 ньютон
Маса. ІІ закон Ньютона
Усі наші спостереження підтверджують, що зміна швидкості тіла завжди викликається дією на нього інших тіл. При взаємодії обидва тіла змінюють швидкість. І ця зміна залежить не тільки від умов та інтенсивності взаємодії, а й від властивостей самих тіл. При однаковій дії різні тіла змінюють свою швидкість по-різному.
Властивість тіла, яка полягає в тому, що тіло не може миттєво змінити швидкість, бо для цього потрібен час, називається інертністю тіла. Чим менше змінюється швидкість тіла при взаємодії, тим тіло є більш інертним.
Величину, яка кількісно характеризує інертність тіла, називають масою тіла. Чим більша маса тіла, тим воно інертніше. Маса тіла позначається літерою m та вимірюється в кілограмах у Системі Інтернаціональній. Приблизно можна вважати, що 1 кілограм дорівнює масі 1 літру чистої води за кімнатної температури. За еталон маси взято спеціальний циліндр, виготовлений зі сплаву платини та іридію. Цей еталон зберігається в Міжнародному бюро мір і ваги у місті Севр (Франція).
Масу тіла можна визначити за зміною його швидкості при взаємодії з тілом відомої маси. Якщо взяти тіло відомої маси і привести його у взаємодію з тілом невідомої маси, то за відношенням їх прискорень можна знайти невідому масу. Відношення модулів прискорень двох тіл, що взаємодіють, дорівнює оберненому відношенню їхніх мас.
Простішим способом визначення маси тіла є зважування.
При розв’язанні основного завдання механіки необхідно знати прискорення, яке набирає одне тіло, а не обидва. У такому випадку говорять, що на тіло діє сила.
Сила — це фізична величина, яка кількісно характеризує дію одного тіла на інше, в результаті якої воно набуває прискорення. Сила є векторною величиною. Тобто, крім числового значення, сила має напрямок. Сила позначається літерою F та в Системі Інтернаціональній вимірюється в ньютонах. 1 ньютон — це сила, яка тілу масою 1 кг, що перебуває в стані спокою, надає за 1 секунду швидкість 1 метр за секунду при відсутності тертя. Виміряти силу можна за допомогою спеціального пристрою — динамометра.
В залежності від характеру взаємодії в механіці розрізняють три види сил:
Як правило, на тіло діє не одна, а декілька сил. У такому випадку розглядають рівнодійну сил. Рівнодійною сил називають таку силу, яка діє так само, як декілька сил, що одночасно діють на тіло. Користуючись результатами дослідів, можна зробити висновок: рівнодійна сил, спрямованих вздовж однієї прямої в один бік, спрямована в той же бік, а її значення дорівнює сумі значень цих сил. Рівнодійна двох сил, спрямованих вздовж однієї прямої в протилежні боки, спрямована в бік більшої сили та дорівнює різниці значень цих сил.
ІІ закон Ньютона: сила, яка діє на тіло, дорівнює добутку маси тіла на прискорення, надане цією силою.
Наслідки ІІ закону Ньютона:
Закон справедливий тільки в інерціальних системах відліку.
Сила — причина зміни швидкості. Напрям прискорення завжди співпадає з напрямом сили.
Закон справедливий для сили будь-якої природи.
Використовуючи сайт ви погоджуєтесь з правилами користування
Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.
Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.
Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.
Ми приєднуємось до закону про авторське право в цифрову епоху DMCA прийнятим за основу взаємовідносин в площині вирішення питань авторських прав в мережі Інтернет. Тому підтримуємо загальновживаний механізм “повідомлення-видалення” для об’єктів авторського права і завжди йдемо на зустріч правовласникам.
Копіюючи матеріали во повинні узгодити можливість їх використання з авторами. Наш сайт не несе відподвідальність за копіювання матеріалів нашими користувачами.