7. Механикадағы күштер: ауырлық күші жəне дененің салмағы.

Ауырлық күші — жер бетіне жақын орналасқан кез келген материялық бөлшекке әсер ететін күш (Р); Жердің айналуымен шартталған центрден тепкіш инерция күші мен дененің Жермен гравитациялық әсерлесуінің қорытқы күші.

Ауырлық күші (Р) Жердің тарту күші (F) мен оның тәуліктік айналуынан туатын центрден (орталықтан) тепкіш инерция күшінің (J) геометриялық қосындысына тең: Р = F+J. J күшінің полюстегі мәні нөлге, ал экватордағы мәні Р күшінің 1/288 бөлігіне тең. Сондықтан J күшінің үлесі тым аз болғандықтан, Ауырлық кұшінің шамасы негізінен Жердің тарту күші арқылы анықталады. Мөлшері Жер радиусымен салыстырғанда шағын аймақ үшін ауырлық күшінің бағыты Жердің белгілі бір нүктесіне түсірілген перпендикулярмен бағыттас.

Ал оның еркін түсу үдеуі (g) тұрақты шама болады. Бұл жағдайда ауырлық күшінің еркін түсу үдеуі (g) мен Жерге тартылатын дене массасының (m) көбейтіндісіне (mg) тең. Жер бетінен жоғары көтерілген сайын ауырлық күшінің шамасы да біртіндеп азая береді

Жердің тартылыс күші әсерінен барлық денелер Жер бетіне қатысты бірдей үдеумен түседі. Оның g әрпімен белгілеу қабылданған. Мұның өзі Жермен байланысты санақ системасындағы массасы m кез келген денеге ауырлық күші деп аталатын P = mg күштің әсер ететінін көрсетеді. Дене Жер бетіне қатысты тыныштықта тұрғанында, Р күші денені құлатпай ұстап тұрған ілменің немесе тіреуіштің fr реакциясымен теңгеріліп тұрады. Ньютонның үшінші заңы бойынша дене бұл жағдайда ілмеге немесе тіреуішке - fr – ге тең G күшпен әсер етеді, яғни G = P = mg

Дененің ілмеге немесе тіреуішке әсер ететін G күші дененің салмағы делінеді. Дене мен тіреуіш н-се жерге қатысты қозғалмай тұрған жағдайда ғана бұл күш mg-ге тең болады.Олардың қандай да болсын w үдеумен қозғалған жағдайында G күші mg тең болмайды.Мысалы,ілме рамаға бекітілген пружин түрінде w үдеуі бар денемен бірге қозғалсын делік.Сонда дене қозғалысыныңтеңдеуі мына түрге келеді: P+ fr=mw, бұдан мына формула шығады G = m(g-w).

Дененің массасы мен салмағының арасындағы қатыс өлшеу арқылы алынған дене массаларының салыстырмалы тәсілін береді, яғни бұл тәсіл бойынша бірдей жағдайда (әдетте w=0) жер бетінің бір нүктесінде анықталған дене салмақтарының қатынастары осы денелердің массаларының қатынасына тең болады.

Дененің салмағы. Салмақсыздық-денелердің жерге тартылу күшін ауырлык күші деп атадык. Ауырлық күшімен катар салмақ ұғымы да жиі қолданылады. «Салмақ» сөзі өздеріңе жақсы таныс. Алайда көп жағдайда ауырлық күші мен салмақты жиі шатастырады. Сонда салмақ дегеніміз не? Тірек үстінде тұрған денені карастырайық. Денеге бұл жағдайда да ауырлық күші әрекет етеді, ал оның кұлауына тірек кедергі жасайды. Бұл кезде дене мен тірек өзара әрекеттеседі, дене өзі жатқан тіректі кысып басады. Бұл күш дененің салмағы болып табылады. Әдетте салмақты Р әрпімен белгілейді. дене жіпке, аспаға және т. б. ілініп койылса да дәл солай болады. Сонымен, дененің тірекке немесе аспаға әрекет ететін күші дененің салмағы деп аталады. Егер дене горизонталь орналасқан, әрі жерге катысты козғалмайтын тірек үстінде жатса, онда дененің салмағы оған әрекет ететін ауырлық күшіне дәлме-дәл келеді. Сонда Р=Ға, яғни P=mg, сондықтан ауырлык күші мен салмакты жиі шатастырады. Алайда Бұл әр түрлі күштер екенін және әр түрлі денеге түсірілетіндігін ескеру қажет: ауырлык күші қарастырылатын денеге, ал салмак дене орналасқан тірекке түседі. Мысалы, алакандарыңа қандай да бір нәрсені салыңдар.Сол кездегі нәрсенің алақанға түсіретін қысым күші оның салмағы болып табылады. Ауырлық күшінің әрекет ету бағытында дене тірегімен қоса бірқалыпты емес қозғалатын болса, онда салмақ пен ауырлық күшінің арасындағы қатыс өзгеретін болады. Бұл жағдайда дененің салмағы ауырлық күшінен көп немесе аз болуы мүмкін. Осылай, мысалы,ғарыш кемесінің тежелуі кезінде ғарышкерлер асқын салмаққа ұшырайды. Ал бір мезетте байқалатын асқын салмакты жолаушылар лифтімен көтеріле бастаған сәтте, жеңіл машинамен жолдың ойыс бөлігінен өткен кезде, т.б. бастан кешіреді. Тірек немесе аспа денемен бірге еркін түскен (құлаған) кездегі жағдайдың ерекше маңызы бар. Бұл жағдайда тірек дененің козғалысына бөгет болмайды, сондықтан дене тірекке әрекет етпейді. Салмағы нөлге тең болатын дененің мұндай күйі салмақсыздық деп аталады. Мысалы, әрқайсыларың түғырдан суға секіргенде, лифтімен төмен түсе бастаған мезетте, жоғары карай секірген кездеріңде бір сөт болсын салмақсыздык күйін кешесіңдер. Жерді айнала орбита бойымен ұшқан ғарыш кемесінің қозғалтқышы өшірілгеннен кейін, ол тек Жердің тартылыс күші әрекетінен ғана қозғалады. Бұндай жағдайда кеме Жер бетіне карай үнемі еркін кұлаған сияқты болады. Осы кезде кеме ішіндегі денелер де, ғарышкерлер де салмақсыздық күйін кешеді. Ғарышкер кеме ішінде еркін «жүзіп жүреді». Біз бұл жерде салмақсыздық күйі туралы жалпы түсінік алдық. Салмақсыздық деп аталатын бұл күрделі құбылысты тереңірек түсіну үшін жоғары сыныптарда оған тағы да оралатын боламыз.

8.Серпімділік күші. Гук заңы.Дененің деформациясы кезінде, дененің бастапқы қалпын мен өлшемін сақтайтын кері күш пайда болады. Бұл күш атом және молекула арасында электромагниттік әсерлесу кезінде пайда болады. Мұндай күшті серпімділік күші деп атайды. Деформацияның қарапайым түрі – созылу және сығылу деформациясы болып табылады (1.12.1-сурет).

1.-сурет. Созылу (x > 0) және сығылу (x < 0)  деформациялары.Сыртқы күш . Кіші деформация кезінде (|x| << l) серпімділік күші дененің деформациясына пропорционал және деформация кезіндегі дене бөлшектерінің орын ауыстыруына қарама-қарсы бағытталады.

Fx = Fупр = –kx. Бұл қатынас экспериментальды қойылған Гук заңын береді. k коэффициентін дененің қатаңдығы деп атайды. СИ жүйесінде қатаңдық ньютон метрге (Н/м) өлшенеді. Қатаңдық коэффициенті дененің қалпы мен мөлшеріне және дене жасалған материалына байланысты. Физикада Гук заңын тартылу және сығылу деформациясын басқа түрде жазады. ε = x / l қатыстық деформация, ал σ = F / S = –Fупр / S, мұндағы S – деформацияланған дененің көлденең қимасының ауданы кернеудеп аталады. Онда Гук заңын қатыстық деформацияε, σ кернеуге пропорционал болады.

E коэффициенті Юнг модулідеп аталады. Юнг модулі тек дененің жасалған материалына байланысты, ал дененің қалпы мен өлшемінен тәуелсіз. Әр түрлі материалдар үшін Юнг модулі кең аралықтарда өзгереді. Мысалы, болат үшін E ≈ 2·1011 Н/м2, ал резина үшін E ≈ 2·106 Н/м2, яғни 5 ретке кемиді. Гук заңы күрделі деформациялар үшін жалпылануы мүмкін. Мысалы, иілу деформациясы кезінде серпімділік күші ұштары екі тіреуде орналасқан стерженнің иілуіне пропорционал (1.12.2сурет)

.12.2.сурет. Иілудеформациясы .  серпімділіккүшітіреутарапынанденегеәсерететінкүштітіреудіңреакциякүшідепаталады. Жанасқанкездеденелердіңреакциякүшіжанасқанбеткеперпендикулярбағытталады. Сондықтаннормальқысымкүшідепатайды. Егерденеқозғалмайтынгоризонтальүстелдіңүстіндежатса, ондатіреукүшівертикальжоғарыбағытталғанжәнеауырлықкүшінетеңгеріледі. .Мұндағыүстелгеәсерететін  күшіденесалмағыдепаталады. Техникадакөбінесеспиральтәріздісеріппеқолданылады (1.12.3-сурет). СеріппеніңсозылунемесесығылукезіндеГукзаңынабағынатынсерпімділіккүшіпайдаболады. k коэффициентісеріппеніңқатаңдығыдепаталады. Гукзаңыныңқолданылғанкездесеріппеніңұзындығыныңөзгеруіықтимал. Сондықтанолардыкүштіөлшеугеқолданылады. Күшбірліктерінебөлінгенсозылуғаарналғансеріппенідинамометрдепатайды. Мұндағыескерту: созылужәнесығылукезіндегісеріппеніңорамдарындаайналужәнеиілусияқтыкүрделідеформацияларболады.

.12.3 сурет. Серіппеніңсозылудеформациясы. Серіппегеқарағандакейбірсозылғышматериалдарды (резина) созылужәнесығылунемесесеріппелістерженьдердіңсығылуы (немесесым) сызықтыГукзаңынаөтетарауқымдабағынады. Металдарүшінε = x / l қатыстықдеформациясы 1 %-тенаспауытиіс. Үлкендеформацияларкезіндеқайтымсызқұбылыстарнемесематериалдыңбұзылуынаәкеледі.

9)Үйкеліс күші. Үйкеліс күші тікелей түйісіп тұрған денелер немесе оның жеке бөліктері бір-біріне қатысты орын ауыстырғанда байқалады. Түйіскен екі дененің бір-біріне қатысты орын ауыстыруынан пайда болатын үйкелісі сыртқы үйкеліс деп, ал белгілі бір тұтас дененің (мысалы, сұйық немесе газ) жеке бөліктерінің арасындағы үйкелісі ішкі үйкеліс деп аталады. Екі қатты дененің беттерінің арасында қандай бір болсын аралық, мысалы, олардың арасында майлау қабаты болған кездегі болатын үйкеліс құрғақ үйкеліс деп аталады. Қатты дене сұйық немесе газ тəрізді ортаның арасындағы, сондай- ақ, осындай ортаның араларындағы үйкелісті тұтқыр (немесе сұйық) деп атайды. Құрғақ үйкеліске қолданылымына қарай үйкелістеді сырғанау үйкелісі жəне домалау үйкелісі деп атайды. Үйкеліс күші екі дененің жанасу кезінде пайда болады. Басқа заңдар сияқты, үйкеліс күші де Ньютонның үшінші заңына бағынады: егер бір денеге үйкеліс күші әсер етсе, онда модулі бойынша осындай, бірақ қарама-қарсы бағытталған күш екінші денеде пайда болады. Үйкеліс күші басқа күштер сияқты электромагниттік болады. Олар өзара жанасқан денелердің атомдары мен молекулаларының арасында пайда болады. Құрғақ үйкеліс күші деп қатты денелердің арасында сұйық және газ тәрізді қабаттың болмаған кездегі әсерлесуін айтады. Олар әсерлескен беттерге әр уақытта жанама бойымен бағытталады. Дененің тыныштық кезінде пайда болған құрғақ үйкелісін тыныштық үйкелісі деп атайды. Тыныштық үйкеліс күші (U=0). Тыныштық үйкеліс күші қандай да бір максималды (Fүйк)max мәннен аспайды. Егер сыртқы күш  (Fтр)max-ден үлкен болса, онда қатыстық сырғанау пайда болады. Бұл жағдайда үйкеліс күшін сырғанау үйкеліс күші деп атайды. Ол әрқашан қозғалыс бағытына қарама-қарсы бағытталады және жалпы жағдайда дененің қатыстық жылдамдығына байланысты. Бірақта, көп жағдайда сырғанау үйкеліс күші жуық шамамен денелердің қатыстық жылдамдықтарына тәуелсіз максималды тыныштық үйкеліс күшіне тең. Бұл құрғақ үйкеліс күші көптеген қарапайым физикалық есептерді шығаруда қолданады Тәжірибеден сырғанау үйкеліс күші денненің тіреуге әсер ететін нормаль күшіне пропорционал, ал бұдан реакция күшіне тең екендігі шығады.   Fүйк = μN. Сырғанау кезінде үйкеліс күші бағыты жанама бойымен бағытталады, ал қатыстық жылдамдыққа қарама-қарсы бағытталады.

10)Қысым.Архимед күші. Сұйық денелердің қатты (серпімді) денелерден басты айырмашылығы – бұл олардың өзінің формасын жеңіл өзгертуі. Сұйық бөліктері бірінің үстіне бірі сырғанап, еркін қозғала алады. Сондықтан сұйық өзі құйылған ыдыстың формасын жеңіл алады. Сұйықтарға да, газдарға да қатты денелерді батыруға болады. Газдарға қарағанда, сұйықтар сығылмайды. Сұйыққа немесе газға батырылған денеге дененің бетіне үлестірілген күштер әсер етеді. Осындай үлестірілген күштерді сипаттау үшін, жаңа физикалық шама – қысым енгізіледі. Қысым – бетке перпендикуляр әсер ететін күштің модулінің осы беттің ауданына қатынасымен анықталады: СИ жүйесінде қысым паскальмен (Па) өлшенеді. 1 Па = 1 Н/м2. Өте жиі жүйелік емес бірліктер – қалыпты атмосфера (атм), сынап бағанасының миллиметрі (мм Hg) пайдаланады: 1 атм = 101325 Па = 760 мм Hg.  Сұйықтың әр түрлі деңгейдегі қысымдардың айырымынан итеріп шығаратын немесе архимед күші  пайда болады.

Қысым-бір дене екінші дене бетіне (мысалы, ғимарат іргетасының грунтқа, сұйықтықтың ыдыс қабырғасына,қозғалтқыш цилиндріндегі газдың піспекке, т.б.) әсер еткенде пайда болатын қалыпты күштің (дене бетіне перпендикуляр) қарқындылығын сипаттайтын физикалық шама. Егер денеге әсер ететін күш оның бетіне біркелкі таралса, онда қысым (р) былай өрнектеледі: P=

Мұндағы S – дене бетінің күш түсетін бөлігінің ауданы, F – сол бөлікке перпендикуляр түсірілген күштердің қосындысы. Күш біркелкі таралған жағдайда қысым дене бетінің барлық нүктесінде бірдей болады, ал күш біркелкі таралмаса, онда қысым бір нүктеден екінші нүктеге өткен сайын өзгеріп отырады. Тұтас, үздіксіз орта үшін сол ортаның әрбір нүктесінің қысымы туралы ұғым енгізіледі.  Бұл ұғымсұйықтық пен газ механикасында маңызды рөл атқарады. Тыныштықтағы сұйықтықтың кез келген нүктесінің барлық бағытындағы қысымы бірдей болады. Бұл жағдай қозғалыстағы идеал (үйкеліссіз қозғалатыс) сұйық пен газ үшін де орындалады. Тұтқыр сұйықтықтың берілген нүктедегі қысымы ретінде өзара перпендикуляр үш бағыттағы (х, у, z – осьтері бағытындағы) қысымның орташа мәні р = (рх+ру+рz)/3 алынады. Газдардың кинетикалық теориясы бойынша, газды ортадағы қысым жылулық қозғалыстағы газ молекулаларының бір-бірімен, газдағы денелермен және ыдыс қабырғаларымен соқтығысуы кезінде импульстың берілуімен байланысты болғандықтан мұны “жылулық” қысым деп атайды. Ол газдың абсолют температурасы (Т) мен бірлік көлемдегі газ молекулаларының санына (n) пропорционал: р = nkT, мұндағы k = 1,38.10–23 Дж/К – Больцман тұрақтысы. Сұйықтықтар мен қатты денелердің қысымы денелердің бір-біріне жақындауы кезінде олардың атомдарының бірін-бірі тебуі нәтижесінде пайда болады. Мұны “суық” қысым дейді. Тыныштықтағы сұйықтық салмағының әсерінен оның ішінде h тереңдікте пайда болатын қысымды гидростатикалық қысым деп атайды: р = rgh, мұндағы r – сұйықтықтың тығыздығы, g – еркін түсу үдеуі. Қысым физикалық, химиялық, механикалық, биологиялық, т.б. құбылыстарда елеулі рөл атқарады; манометр, барометр, вакуумметр тәрізді құрылғылардың және әр түрлі қысым датчиктерінің көмегімен өлшенеді. Қысымның Бірліктердің халықаралық жүйесіндегі өлшем бірлігі – Паскаль (Па). 1 Па = Н/м2

Архимед заңы – аэростатикамен гидростатиканың сұйыққа (газға) батырылған денеге, көлемі сол дененің көлеміндей сұйықтың салмағына тең әрі онан әрқашан да жоғары қарай бағытталған кері итеруші күш әсер ететіндігін анықтайтын негізгі заңы. Дененің ығыстырып шығарған сұйығының ауырлық центріне (орталығына) түсетін итеруші күшті архимедтік не гидростатикалық көтеруші күш деп атайды. Егер дененің салмағы архимедтік күштен кем болса, онда дене сұйық бетіне қалқып шығады, ал дененің салмағы архимедтік күштен артық болса, онда дене сұйыққа батып кетеді. Дененің салмағы архимедтік күшке тең болса, дене сұйық ішінде жүзіп жүреді. Бұл заңды Архимед б.з.б. 3 ғасырда ашқан. Архимед заңы денелердің сұйықта, не газда жүзуінің теориялық негізі болып саналады. Архимед күші — тепе-теңдік жағдайдағы сұйыққа тұтастай немесе жартылай батырылған кез келген дененің бетіне төменнен жоғарыға қарай тік бағытта әсер ететін гидростатикалық қысым күші. Архимед күші ауырлық күшіне қарсы бағытталған. Тік жоғары бағытталған көтеруші күш (Архимед күші) көлемі дене көлеміндей сұйық салмағына тең болады: Р = gV = G; G - дененің салынған ортаның тығыздығы, V — дененің көлемі. Дененің салмағы мен көтеруші күштің шамаларын салыстырып, дененің сұйық ішіндегі тепе-теңдік жағдайын анықтауға болады. Егер: Р < G болса, онда дене сұйықтыққа батып кетеді. Р > G жағдайында дене сұйық бетіне қалқып шығады, ал Р = G кезінде дене сұйық ішінде жүзіп жүреді.