Розділ 3. ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА. Частина І
7.Що більше — маса вчителя фізкультури чи маса повітря в спортзалі, якщо маса вчителя становить 80 кг, а розміри спортзалу 20×10×5 м? Об’ємом, який займає в спортзалі спортивний інвентар, знехтуйте.
8.Розв’яжіть задачу 4, розглянуту в цьому параграфі, іншим способом.
9.Складіть задачу, обернену до задачі 5, розглянутої в цьому параграфі, та розв’яжіть її.
10.Алюмінієвий циліндр масою 1,35 кг повністю занурили в посудину, до країв наповнену спиртом. Якою є маса спирту, що вилився?
11.Наведіть приклади взаємодії тіл, з якою ви стикаєтесь у побуті, школі, під час занять спортом тощо. Які зміни при цьому відбуваються з тілами?
Експериментальні завдання
1.«Фізика на кухні». Визначте густину сирої картоплі. Скористайтесь обладнанням, зображеним на рисунку.
Можете визначити також густину інших овочів, які є на вашій кухні. Пам’ятайте: щоб правильно визначити об’єм тіла, його слід занурити у воду повністю.
2.«Викриваємо шахрая». За легендою, давньогрецький учений Архімед допоміг викрити шахрайство ювеліра. На замовлення царя Сиракуз Гієрона ювелір виготовив золоту корону, призначену стати дарунком безсмертним богам.
Архімед узяв зливок золота, маса якого дорівнювала масі корони, наповнив водою до країв посудину і... Як ви гадаєте, що зробив Архімед? Змоделюйте розв’язання цієї задачі.
§20. СИЛА — МІРА ВЗАЄМОДІЇ. ГРАФІЧНЕ ЗОБРАЖЕННЯ СИЛ. ДОДАВАННЯ СИЛ
З поняттям сили в буквальному значенні ми стикаємося на кожному кроці. У побуті зміст слова «сила» й утворених від нього «силач», «сильний» пов’язаний з можливостями людини, тварини, механізму, з інтенсивністю прояву природних явищ. Ми говоримо «найсильніша людина», «сила волі», «сильні почуття», «сильний мороз», «сильний двигун». А який зміст вкладають у поняття «сила» фізики?
1 |
Дізнаємося, що означає поняття «сила» у фізиці |
Уже зазначалось, що причиною зміни швидкості руху тіла є його |
взаємодія з іншими тілами. |
|
Для того щоб тенісний м’яч повернувся на бік суперника, ви б’єте по |
м’ячу ракеткою, але і м’яч «б’є» по ракетці. Для того щоб зупинити велоси- |
пед, ви натискаєте на рукоятку велосипедного гальма і водночас відчуваєте, |
як рукоятка тисне на ваші долоні. |
|
Зверніть увагу: у будь-якому випадку результат залежіть від того, на- |
скільки сильною буде взаємодія: сильніше вдарите по м’ячу — м’яч набере |
більшу швидкість (рис. 20.1); сильніше натиснете на гальма — скоріше зу- |
пиниться велосипед. |
|
Очевидно, що «ступінь взаємодії» потрібно якось вимірювати. Саме для |
цього й слугує сила — фізична величина, яка є кількісною характеристи- |
кою взаємодії тіл. |
§ 20. Сила — міра взаємодії. Графічне зображення сил. Додавання сил
|
Сила — це фізична величина, яка є мірою дії |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
одного тіла на інше (мірою взаємодії тіл) |
|
|
|
|
|
|
Уфізиці прийнято говорити, що саме сила
єпричиною зміни швидкості руху тіла.
Силу зазвичай позначають символом F (від англ. force — сила). Одиницею сили в СІ є ньютон (на честь Ісаака Ньютона):
[F] = Н.
1 Н дорівнює силі, яка, діючи на тіло масою 1 кг протягом 1 с, змінює швидкість його руху на 1 м/с.
Чим більша сила діє на тіло, тим помітніше буде змінюватися швидкість його руху (рис. 20.1). Щоб тіла різної маси змінювали швидкості своїх рухів однаково, на них мають діяти різні сили (рис. 20.2).
|
|
|
|
|
|
2 |
Зображуємо сили |
|
|
Сила спричиняє зміну швидкості руху |
тіла як за значенням, так і за напрямком, |
тому й характеризуватися сила має не лише |
значенням, але й напрямком. |
|
|
|
Згадайте: фізичні величини, які мають |
значення та напрямок, називають векторними. |
Отже, сила — векторна величина. Векторні |
величини на рисунках зображують у вигляді |
стрілок. Відповідно, стрілкою будемо зображу- |
вати й вектор сили, яка діє на тіло. |
|
Вектор сили починають у точці, куди при- |
кладена сила (цю точку так і називають — |
точка |
прикладання |
сили), |
і |
напрямляють |
у напрямку дії сили. Довжину стрілки часто |
обирають такою, щоб вона в певному масштабі |
відповідала значенню сили (рис. 20.3) |
|
|
|
|
|
|
|
m1 |
|
|
|
m2 |
|
|
– значення |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m1< m2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– напрямок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– точка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F1< F2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прикладання |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 20.3. На тіло масою m1 = 400 г з боку Землі діє сила F1 = 4 Н, а на тіло масою m2 = 600 г — сила F2 = 6 Н. Довжини стрілок, які зображують ці сили, у певному масштабі дорівнюють значенням сил
б
Рис. 20.1. Дорослий тенісист здатний змусити м’яч летіти зі швидкістю руху перегонового автомобіля (а); малюк не може сильно вдарити по м’ячу, а тому лише трохи змінить швидкість його руху (б)
а
б
Рис. 20.2. Щоб важкий автомо біль (а) міг розігнатися так само швидко, як легкий мотоцикл (б), на автомобіль слід установити потужніший двигун
135
|
Розділ 3. ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА. Частина І |
|
|
Залежно від напрямку сила може спричиняти збільшення, зменшення |
або зміну напрямку швидкості руху тіла: |
|
|
Напрямок сили |
Напрямок сили |
Напрямок сили |
Сила напрямлена |
збігається з напрям- |
протилежний |
перпендикулярний |
під кутом до |
|
ком руху тіла |
напрямку руху тіла |
до напрямку руху тіла |
напрямку руху тіла |
|
v |
v |
v |
|
|
F |
|
|
|
F |
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
v |
|
|
|
|
Значення швидкості |
Значення швидкості |
Змінюється лише |
Змінюються значення |
руху тіла збільшується |
тіла зменшується |
напрямок швидкості |
і напрямок швидкості |
|
|
|
руху тіла |
руху тіла |
3 |
Додаємо сили, що діють уздовж однієї прямої |
|
На тіло може діяти не одна сила, а дві, три або більше. Дізнаємося, |
як знайти результат спільної дії двох сил, що діють на тіло в одному на- |
прямку, і сил, що діють у протилежних напрямках. |
|
|
Поставимо на стіл візок і прив’яжемо до нього дві нитки. Потягнемо за |
одну нитку із силою 5 Н, а за другу — у тому ж напрямку із силою 3 Н |
(рис. 20.4). Візок почне рухатися, збільшуючи швидкість свого руху. Збіль- |
шення швидкості руху візка буде таким самим, як коли б на нього діяла |
одна сила 8 Н. Силу 8 Н, якою в цьому випадку можна замінити дві сили |
5 і 3 Н, називають рівнодійною двох сил і позначають символом R (або F). |
Силу, яка здійснює на тіло таку саму дію, як декілька сил, що діють одночасно, називають рівнодійною цих сил.
Якщо за дві нитки одночасно тягти візок у протилежні боки (рис. 20.5), то сили не «допомагатимуть» одна одній розганяти візок, а навпаки — «заважатимуть». У такому випадку візок буде рухатися так, ніби на нього діє сила 2 Н, напрямлена в бік дії сили 5 Н. Тобто тут рівнодійною двох сил 5 і 3 Н буде сила 2 Н.
|
F2 |
F |
R |
F |
|
F1 |
R |
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
F2 |
F1 |
R |
F2 |
|
F1 |
R |
F1 |
= 5H |
|
R = F1 + F2 |
|
F1 |
= 5H |
R = F1– F2 |
F2 |
= 3H |
|
R = 5H + 3H = 8H |
|
F2 |
= 3H |
R = 5H – 3H= 2H |
Рис. 20.4. Коли дві сили F1 і F2 , що діють на тіло, напрямлені в один бік, то напрямок рівно дійної збігається з напрямком дії сил, а значен ня рівнодійної обчислюють за формулою:
R = F1 + F2.
Рис. 20.5. Коли дві сили F1 і F2 , що діють на тіло, напрямлені протилежно, то напрямок рівнодій ної збігається з напрямком більшої сили, а для знаходження значення рівнодійної слід від зна чення більшої сили відняти значення меншої
§ 20. Сила — міра взаємодії. Графічне зображення сил. Додавання сил
|
4 |
З’ясовуємо умову зрівноваження сил |
|
|
Якщо з однаковою силою потягти нитки, |
а |
|
прив’язані до візка з протилежних боків, рів- |
|
|
|
нодійна двох сил дорівнюватиме нулю, тобто |
|
|
сили зрівноважать одна одну і причини для |
|
|
зміни швидкості руху тіла не буде. |
|
Дві сили зрівноважать одна одну, якщо вони рівні за значенням, протилежні за напрямком і прикладені до одного тіла.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так, щоб автомобіль горизонтальним пря- |
|
б |
|
|
|
|
|
|
молінійним відрізком шосе рухався рівномір- |
|
|
|
|
|
но (рис. 20.6, а), потрібно, щоб сила тяги його |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
двигуна компенсувала силу опору рухові (сила |
|
|
|
|
|
опору рухові досить швидко зупинить автомо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
біль, якщо двигун буде вимкнено). Портфель |
|
|
|
|
|
перебуває у стані спокою в руці хлопця тому, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
що сила притягання Землі, яка діє на порт- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фель, компенсується силою, яку прикладає до |
20.6. Якщо сили, які діють на тіло, |
|
портфеля хлопець (рис. 20.6, б). |
|
рівні за значенням і протилежні |
|
|
|
|
|
|
|
за напрямком, то тіло рухається |
|
Підбиваємо підсумки |
|
рівномірно прямолінійно (а) |
|
Сила F |
|
|
|
|
|
— це фізична величина, яка є |
або перебуває в стані спокою (б) |
мірою дії одного тіла на інше (мірою взаємодії тіл). Сила є причиною зміни швидкості руху тіла.
Одиниця сили в СІ — ньютон (Н). 1 Н дорівнює силі, яка, діючи на тіло масою 1 кг протягом 1 с, змінює швидкість його руху на 1 м/с.
Сила — це векторна величина, тому, щоб схарактеризувати силу, необхідно вказати значення, напрямок і точку прикладання сили.
Якщо на тіло діють декілька сил, то їхню спільну дію завжди можна замінити дією однієї сили — рівнодійної.
Рівнодійною двох сил, що діють в одному напрямку, є сила, значення якої дорівнює сумі значень сил, а напрямок збігається з напрямком цих сил.
Рівнодійною двох сил, що діють у протилежних напрямках, є сила, значення якої дорівнює модулю різниці значень сил, а напрямок збігається з напрямком більшої сили.
Дві сили зрівноважують одна одну, якщо вони рівні за значенням, протилежні за напрямком і прикладені до одного тіла.
Контрольні запитання
1.Які зміни можуть відбуватися з тілом унаслідок його взаємодії з іншими тілами?
2.Дайте визначення сили. 3. Якою є одиниця сили в СІ? 4. Чому сила характеризу ється не тільки значенням, але й напрямком? 5. Як позначають силу на рисунках?
6.Що таке рівнодійна сил, які діють на тіло? 7. Як знайти рівнодійну двох сил, які діють уздовж однієї прямої в одному напрямку? в протилежних напрямках? 8. За яких умов дві сили зрівноважують одна одну?
137
Розділ 3. ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА. Частина І
Вправа № 20
1.Фізики кажуть: «На тіло діє сила тяжіння» або «Руху автомобіля заважає сила опо ру повітря», хоча з погляду фізики точніше було б сказати: «На тіло діє Земля, її дія характеризується силою тяжіння» й «Руху автомобіля заважає повітря, дія якого характеризується силою опору повітря». Спробуйте навести аналогічні приклади.
2.Доберіть відповідний масштаб і накресліть у своєму зошиті сили, що дорівнюють 3,2 Н, 5,6 Н і 8 Н. Порівняйте своє креслення з кресленнями однокласників. Чому вони різняться?
3.Людина діє на підлогу із силою 800 Н. З якою силою людина діятиме на підлогу, якщо візьме в руки вантаж, який, у свою чергу, діє на людину із силою 200 Н? Відповідь поясніть за допомогою схематичного рисунка.
4.Канат, який тягнуть у протилежні боки дві людини, перебуває в стані спокою. Одна людина тягне канат із силою 300 Н. Чому дорівнює сила, з якою тягне канат друга людина? Зобразіть на схематичному рисунку сили, що діють на канат. Чому дорівнює рівнодійна цих сил?
5.Два хлопчики тягнуть санки, прикладаючи горизонтальні сили 50 і 70 Н, напрямлені вздовж однієї прямої. Яким може бути значення рівнодійної цих сил?
6.Чи може автомобіль рухатися дорогою, якщо рівнодійна всіх сил, прикладених до нього, напрямлена протилежно напрямку руху? Якщо так, наведіть приклад.
7.На тіло діють три сили, напрямлені вздовж однієї прямої. Дві з цих сил мають значення 30 і 50 Н. Яке значення може мати третя сила, якщо рівнодійна трьох сил дорівнює 100 Н? Скільки розв’язків має ця задача? Виконайте в зошиті відповідні схематичні рисунки.
Експериментальне завдання
Запропонуйте конструкцію пристрою для демонстрації додавання сил, що діють уздовж однієї прямої, та виготовте його.
Фізика і техніка в Україні
Один із видатних фізиків сучасності — Лев Давидович Ландау (1908–1968) — продемонстрував свої неабиякі здібності ще в се редній школі. Після закінчення Ленінградського університету він стажувався в одного з творців квантової фізики Нільса Бора. Уже у 25 років Л. Д. Ландау очолив теоретичний відділ Українського фізико-технічного інституту та кафедру теоретичної фізики Хар ківського університету.
Як і більшість видатних фізиків-теоретиків, Ландау вирізнявся надзвичайною широтою наукових інтересів. Ядерна фізика, фізика плазми, теорія надплинності рідкого гелію, теорія надпровідно-
сті — у всі ці розділи фізики Ландау зробив значний внесок. Саме за ідеєю та під керів ництвом Л. Д. Ландау було здійснено розрахунки водневої бомби. А за роботи з фізики низьких температур Л. Д. Ландау отримав Нобелівську премію.
