2.2. Силы в природе. Применение законов динамики
Гравитационные силы – универсальное взаимодействие, свойственное всем телам Вселенной и проявляющееся в их взаимном притяжении друг к другу. В случае не слишком большой интенсивности и при медленном движении тел (v << c) гравитационное взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения.
Закон Всемирного тяготения – сила гравитационного притяжения любых двух частиц (материальных точек) прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Если тело массой m находится над поверхностью Земли на высоте h, то на него действует сила земного притяжения, равная по модулю
.
Гравитационная постоянная
Н·м2/кг2
Сила тяжести – векторная физическая величина, характеризующая притяжение тела Землей и равная произведению массы тела на ускорение свободного падения.
Ускорение свободного
падения не зависит от массы тела. Если
не учитывать вращение Земли и считать
ее шаром, то
и, стало быть,
.
Если тело находится
на поверхности Земли или на близком от
нее расстоянии (
),
то
и можно считать, что ускорение свободного падения имеет для всех тел не только одинаковое, но и постоянное значение.
Из последних двух соотношений следует, что
.
На полюсах Земли вращение отсутствует, и потому на них сила тяжести и сила гравитационного притяжения к Земле совпадают. Во всех остальных точках земной поверхности сила тяжести несколько меньше и на экваторе минимальна.
Вес тела - сила, с которой тело давит на горизонтальную опору или растягивает вертикальный подвес. Измеряется с помощью весов. Единицей веса в СИ является ньютон (Н). По третьему закону Ньютона вес тела равен по модулю и противоположен по направлению силе реакции опоры или подвеса.
Невесомость – состояние тела, при котором его вес равен нулю. В состоянии невесомости все тела и их отдельные части перестают давить друг на друга.
Перегрузка – состояние тела, при котором его вес превышает значение, равное силе тяжести.
Вес тела,
движущегося с ускорением.
При движении тела с ускорением вверх
или вниз, вес тела изменяется на величину
.
При движении вниз уменьшается. При
движении вверх увеличивается.
Первая космическая скорость – минимальная скорость, которую нужно сообщить телу у поверхности планеты, чтобы это тело превратилось в ее искусственный спутник. Величина первой космической скорости зависит от массы планеты и ее радиуса, для Земли она равна 7,9 км/с.
Деформация – изменение формы или размеров тела. Деформация может возникать в результате механического воздействия, теплового расширения, действия электрических и магнитных полей и др. Деформация называется упругой, если она полностью исчезает после прекращения действия вызвавших ее внешних сил, и пластической, если она не исчезает после прекращения действия этих сил.
Сила упругости – сила, характеризующая действие, оказываемое на частицу упруго деформированным телом. При малых деформациях подчиняется закону Гука.
Закон Гука – деформация упругих тел (их удлинение или уменьшение) прямопропорциональна силе, которая их растягивает (сжимает), а сила упругости равна:
Коэффициент жёсткости (k) – коэффициент пропорциональности между силой упругости и абсолютным удлинением тела в законе Гука: чем больше коэффициент жесткости тела (стержня, пружины и т. п.), тем меньше оно деформируется при заданной силе. Определяется геометрическими размерами тела и материалом, из которого оно изготовлено. Единицей коэффициента жесткости в СИ является ньютон на метр (Н/м).
Сила трения – взаимодействие, возникающее в месте соприкосновения тел и препятствующее их относительному движению. Различают трение покоя, трение скольжения, и трение качения.
Если приложенные к телу внешние силы не способны вывести его из состояния покоя, то удерживающая это тело на месте сила трения оказывается меньше силы трения скольжения и потому носит название силы трения покоя.
Трение скольжения возникает при скольжении одного твердого тела по поверхности другого. Возникновение такой силы обусловлено двумя факторами: преодолением сил межмолекулярного притяжения, действующих в местах контакта трущихся тел, и изменением формы поверхностного слоя материала внедрившимися неровностями тел.
Определяется по формуле
Силу трения, действующую на катящийся по какой-либо поверхности предмет, например колесо или цилиндр, называют силой трения качения. Трение качения обусловлено тем, что колесу приходится все время взбираться на небольшой бугорок, образующийся перед движущимся колесом, которое несколько вдавливается в полотно дороги. Чем тверже дорога, тем сопротивление качения меньше. При одинаковых нагрузках сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения.
Коэффициент трения (μ) – коэффициент пропорциональности между силой трения скольжения и силой нормальной реакции опоры, по которой скользит данное тело в законе сухого трения. Значение коэффициента трения скольжения зависит от материала трущихся друг о друга тел и качества обработки их поверхностей. Как правило, μ < 1, и лишь для гладких и совершенно чистых поверхностей металлов μ > 1.