Силы в природе: тяжести, упругости, трения. Закон Гука. Вес тела

Скорость любого тела изменяется только тогда, когда на него действуют другие тела. Действие тел друг на друга всегда взаимно: оба тела взаимодействуют между собой.

Сила (F) — векторная физическая величина, являющаяся мерой механического воздействия одного тела на другое. Сила характеризуется тремя параметрами:

1. Числовым значением (модулем силы);

2. Направлением в пространстве;

3. Точкой приложения к телу.

В СИ сила измеряется в Ньютонах (Н) в честь Исаака Ньютона: 1 Н — сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с² за 1 секунду. На чертежах силы изображают в виде направленных отрезков со стрелкой (векторов).

Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу силами гравитационного притяжения. Сила, с которой Земля притягивает к себе любое физическое тело, находящееся на её поверхности или вблизи неё, называется силой тяжести (F_тяж).

Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз — к центру земного шара. Сила тяжести прямо пропорциональна массе тела:

F_тяж = m · g,

где g — коэффициент пропорциональности, называемый ускорением свободного падения. Вблизи поверхности Земли на широте Казахстана g ≈ 9.8 Н/кг (в приближенных учебных расчетах часто принимают g ≈ 10 Н/кг).

Деформацией называют любое изменение формы или размеров тела под действием внешних сил. Деформации подразделяют на упругие (полностью исчезающие после прекращения действия силы) и пластические (сохраняющиеся после снятия нагрузки).

При упругой деформации в теле возникает сила, стремящаяся вернуть его в исходное ненапряженное состояние — сила упругости (F_упр). Сила упругости направлена строго противоположно смещению частиц тела при деформации.

Закон Гука (открытый Робертом Гуком в 1660 г.): модуль силы упругости при малых упругих деформациях прямо пропорционален абсолютному удлинению тела (растяжению или сжатию):

F_упр = k · |x|,

где x = l - l₀ — абсолютное удлинение (м), k — жесткость пружины или стержня (Н/м).

Вес тела (P) — это сила, с которой тело вследствие земного притяжения действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес.

Принципиальные отличия веса от силы тяжести:

1. Точка приложения: сила тяжести приложена к центру тяжести самого тела, а вес приложен к опоре или подвесу!

2. Природа сил: сила тяжести — гравитационная сила, а вес — упругая электромагнитная сила взаимодействия молекул тела и опоры.

Если тело вместе с опорой покоится или движется равномерно и прямолинейно, его вес численно равен силе тяжести: P = m · g.

Если же тело свободно падает вместе с опорой с ускорением свободного падения (a = g), опора не препятствует падению, и тело перестает давить на опору: P = 0. Это состояние называют невесомостью (в нем находятся космонавты на МКС).

При соприкосновении поверхности одного тела с поверхностью другого всегда возникает сопротивление их относительному движению — сила трения (F_тр).

Причины возникновения трения:

1. Микроскопическая шероховатость поверхностей (зацепление неровностей);

2. Межмолекулярное взаимное притяжение соприкасающихся участков вещества.

Различают три вида трения:

• Трение покоя: удерживает тела на наклонных плоскостях, позволяет ходить человеку и удерживать предметы в руках.

• Трение скольжения: возникает при скольжении одного тела по поверхности другого (сани на снегу).

• Трение качения: возникает при качении колеса или шара по опоре. Трение качения в десятки раз меньше трения скольжения при одинаковой нагрузке (именно поэтому человечество изобрело колесо и шарикоподшипники).