Урок 7. Виды сил. Сложение сил - Материалы к изучению

Сегодня на уроке вы познакомитесь с видами сил, изучаемых в механике, а также научитесь изображать силы графически и определять равнодействующую сил.

В природе существуют различные силы. На этом уроке мы фокусируемся на трех основных видах сил, рассматриваемых в механике. 

К ним относятся силы тяготения, силы упругости и силы трения.

Самым ярким примером сил тяготения является сила притяжения между Солнцем и планетами. Благодаря этой силе планеты не покидают Солнечную систему.  Также, примером сил тяготения является уже известная вам сила тяжести, с которой Земля притягивает к себе тела. Сила упругости возникает при деформациях тела, то есть при изменении его формы или размеров.

Например, она возникает при ударе ногой по мячу. Или при надавливании на поролоновую губку. Так же она возникает в канате, на котором висит акробат или в батуте, на котором прыгает ребенок.

Эта сила всегда стремится вернуть тело в исходное состояние, так как направлена противоположно деформации. Сила трения возникает в месте соприкосновения тел и препятствует их перемещению друг относительно друга.

Существует три вида трения: Трение покоя, Трение скольжения и Трение качения.

Трение покоя существует между любыми неподвижными соприкасающимися телами.

Когда мы пытаемся передвинуть стол или шкаф, мы чувствуем, что нам что-то мешает. Это сопротивление вызвано силой трения покоя.

Трение скольжения возникает, когда одно тело движется по поверхности другого. Например, когда вы скатились с горки на лыжах или на санках, вы рано или поздно остановитесь, потому что вашему движению мешает трение скольжения.

Если же одно тело КАТИТСЯ по поверхности другого, то тогда между ними возникает трение, которое называют трением качения.

А теперь подумайте: что выгоднее – трение скольжения или трение качения?

Действительно, сила трения качения значительно меньше силы трения скольжения, ведь катить тяжелую бочку гораздо легче, чем ее тащить. Именно поэтому большинство транспортных средств имеют колеса. Ведь между ними и дорогой возникает трение качения, которое является самым слабым из видов трения. Как правило, на тело могут действовать сразу несколько сил. 

Например, на движущийся автомобиль действуют:

сила тяги его двигателя

сила тяжести, притягивающая его к Земле;

сила упругости, действующая со стороны дороги

и сила трения, препятствующая его движению.

Допустим, известно, что сила тяжести автомобиля равна 20 кН, сила тяги 8 кН, сила трения 4 кН, сила упругости дороги 20 кН. Прежде чем найти результирующую силу, нужно правильно изобразить все силы, действующие на автомобиль. 

Изображают силы с помощью векторов.

Так как все силы приложены к одному телу – автомобилю, то все силы будут начинаться из одной точки – центра масс автомобиля.

Каждый вектор должен иметь определенную длину и направление. Чтобы правильно изобразить длину вектора силы, нужно выбрать масштаб. Для данного примера наиболее удобно выбрать масштаб одна клетка – 2 килоньютона. 

Теперь приступим к изображению сил. Известно, что сила тяжести автомобиля равна 20 кН. Значит, в выбранном нами масштабе мы должны нарисовать вектор длиной 10 клеток. Так как сила тяжести направлена к центру Земли, то ее вектор будет направлен вертикально вниз.

Сила упругости дороги равна силе тяжести, но направлена ей противоположно. Значит, вектор силы упругости будет иметь ту же длину 10 клеток, но при этом должен быть направлен вверх. 

Сила тяги, заставляющая двигаться автомобиль вдоль дороги, равна 8 кН, поэтом будет изображена вектором, имеющим длину 4 клетки, направленным вправо.

Сила трения направлена противоположно движению и равна 4 кН. Следовательно, вектор силы трения будет иметь длину 2 клетки и направлен влево.

Векторная сумма всех сил, которая действует на тело, называется равнодействующей силой. Чтобы найти равнодействующую, нужно попарно складывать силы, лежащие на одной прямой.

Рассмотрим силы, лежащие на оси игрек. Сила упругости направлена вверх – туда же, куда направлена ось игрек. По этой причине она будет иметь положительное значение.

Однако сила тяжести направлена вниз, то есть противоположно оси игрек. Значит, в этом случае сила тяжести будет иметь отрицательное значение. 

Очевидно, что сумма этих двух сил равна нулю.

Теперь рассмотрим силы, лежащие на оси икс.

Сила тяги направлена по оси икс, поэтому она считается положительной, но сила трения направлена против оси икс и поэтому она считается отрицательной. Складывая числа 8 кН и минус 4 кН, получаем силу 4 кН.

Так как результирующая сила на оси игрек равна нулю, равнодействующая всех сил, действующих на автомобиль, равна результирующей силе, действующей по оси икс, то есть 4 кН. Итак, сегодня на уроке вы узнали, что в механике рассматриваются три вида сил: силы тяготения, силы упругости и силы трения. Вы научились изображать силы с помощью векторов в выбранном масштабе. Также вы узнали, как рассчитывать равнодействующую всех сил, действующих на тело.