Толкните стену. Прямо сейчас подойдите и сильно толкните стену. Что-нибудь произошло? Вряд ли. Тогда толкните стену не просто сильно, а изо всех сил. На этот раз произошло? Со стеной - вряд ли, а вот вы, скорее всего, отлетели от стены на некоторое расстояние. Как же так?

Ведь это вы толкали стену, а получилось, что это стена толкнула вас. Еще пример - бильярд. Когда мы бьем кием по шару и попадаем в другой шар, то второй шар начинает движение, но и первый при этом отлетает в обратную сторону или же вбок. Третий пример - это молоток. Когда молотком бьют по гвоздю, то не только гвоздь забивается в стену, но и молоток отскакивает обратно и может дать по лбу незадачливому умельцу. Во всех этих примерах мы действовали одним телом на другое, но при этом оказалось, что и другое тело тоже действовало на первое. В физике действие двух тел друг на друга называется взаимодействием.

Взаимодействие тел в физике

При взаимодействии двух тел всегда результат ощущают на себе оба тела. То есть, говоря простым языком, всегда при воздействии на что-то следует отдача. Наверное, все драчливые мальчишки знают, что во время драки страдает не только лицо противника, но и собственные кулаки можно здорово поразбивать. То есть, пока один хулиган атакует кулаком нос другого хулигана, нос в это время атакует кулак в ответ. Однако, нос при этом страдает гораздо больше. Ну, с носом все понятно - он мягче и потому сильнее повреждается, а вот почему шар при ударе кием отлетает намного сильнее, чей кий в это же время? То есть, не отлетает же кий, и мы вместе с ним, на несколько метров от стола? А это объясняется тем, что тела бывают более инертны и менее инертны.

Виды взаимодействия тел и мера взаимодействия

Про тело, которое при взаимодействии изменяет свою скорость медленнее, говорят, что оно более инертно и имеет большую массу. А тело, которое быстрее изменяет свою скорость, мы называем менее инертным, и говорим, что оно имеет меньшую массу. Именно поэтому мы не отлетаем от стола при ударе кием по шару и, наоборот, отлетаем от стены, при попытке толкнуть стену и, соответственно весь дом, к которому она приделана. Масса нас с кием намного больше массы бильярдного шара, но при этом намного меньше массы дома, даже если мы взгромоздим себе на плечи жену, трех детей, связку баранок и кошку.

Знакомство с взаимодействием тел рассматривается в курсе физики 7 класса.

Мерой взаимодействия тел является сила. Существует 4 не сводящихся друг к другу вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Но эту тему подробно разбирают в курсе 10 класса.

>> Сила - мера взаимодействия. Энергия

• Первоначальный смысл слова «сила» и образованных от него поня­тий «силач», «сильный» был связан с возможностями человека, с его мускульными усилиями. Согласно древнегреческому мифу, герой Тесей для доказательства своей силы должен был сдвинуть громадную ка­менную глыбу и достать из-под нее отцовский меч. А какое содержа­ние вкладывают физики в понятие «сила »?

1. Вспоминаем понятие «сила»

Понятие «сила» неразрывно связано со взаимодействием физических тел. Чтобы сдвинуть каменную глыбу, Тесею пришлось взаимодействовать с ней. Наши руки взаимодействуют со стулом, который необходимо пере­двинуть. В момент прыжка наши ноги взаимодействуют с землей.

Рис. 1.43. Тесей пытался достать меч своего отца из-под скалы разными способами. Для каждого из них на схеме обозначены направление и точка приложения силы

Обратите внимание на то, что в каждом из приведенных примеров ре­зультат будет различным в зависимости от того, насколько сильным было то или иное взаимодействие . Так, семикласснику ничего не стоит передвинуть стул, а для малыша-дошкольника эта задача может оказаться непосильной. Подъемный кран играючи поднял бы глыбу, которую Тесей едва сдвинул с места. Чем выше вы стремитесь прыгнуть, тем сильнее надо оттолкнуть­ся. Из этих примеров становится очевидным, что взаимодействие тел следу­ет определить количественно.

Физическая величина, с помощью которой количественно определяют взаимодействие тел, называется силой.

Иными словами, сила - это количественная мера взаимодействия тел. Силу обозначают символом F. Единицей силы в СИ является ньютон (1 Н).

Чтобы охарактеризовать силу, необходимо указать не только численное значение этой силы, но также направление силы и точку ее приложения. Одна и та же по значению сила может привести к совершенно разным ре­зультатам в зависимости от направления ее действия (рис. 1.43). Каким бы ни был силачом легендарный Тесей, он не смог бы сдвинуть глыбу с места, если бы давил на нее сверху вниз. Вероятно, ему не хватило бы сил и для того, чтобы поднять камень (направление силы снизу вверх). Ho той же силы, приложенной в горизонтальном направлении, оказалось достаточно, чтобы извлечь из тайника отцовский меч.

2. Выясняем, что означают понятия «работа» и «энергия» для физиков

Тесно связана с силой еще одна физическая величина , которая на­зывается работой. В широком значении понятие «работа» включает многие виды человеческой деятельности, например расчеты на компьютере , кото­рые практически не требуют мышечных усилий. В естествознании же по­нятие «работа» употребляют в том случае, когда происходит перемеще­ние тела под действием силы. Кран на стройке совершает работу, поднимая кирпичи, причем чем больший груз требуется поднять, тем большую работу совершает кран.

Рис. 1.44. Шарик, упав в воду, разбрызгал ее. В таких случаях говорят, что шарик совершил работу

Работа также возрастает с уве­личением расстояния, на которое перемещают тело . Попробуйте переместить стул по комнате сначала один раз, потом десять, а затем раз пятьдесят или сто, и вы немедленно убедитесь в правильности этого вывода.

Здесь вам предстоит познакомиться с еще одной очень важной физической величиной, которая носит название «энергия». Общее опре­деление этой физической величины звучит сле­дующим образом: энергия - это общая коли­чественная мера движения и взаимодействия различных видов материи.

В отношении физических тел мы с вами бу­дем пользоваться такой формулировкой:

Физическая величина, характеризующая спо­собность тела совершать работу, называется энергией тела .

Обычно энергию обозначают символом W и измеряют в джоулях (1 Дж).

Способность тел совершать работу можно продемонстрировать на следующем примере. Поместим маленький шарик на край стола, а на полу под ним поставим небольшую ем­кость с водой (рис. 1.44).

Рис. 1.44. На гидроэлектростан­циях падающая вода (механиче­ская энергия) вращает турбины, которые вырабатывают электри­ческую энергию

Если столкнуть ша­рик с края стола, то он полетит вниз, упадет в воду и разбрызгает часть жидкости. Появле­ние брызг означает, что шарик совершил опре­деленную работу. Если же шарик не трогать, он останется неподвижно лежать на столе. Та­ким образом, энергия шарика может быть ре­ализована путем совершения работы при его падении или сохранится «до лучших времен».

3. Узнаем о превращении одних видов энергии в другие

Вы, безусловно, знакомы с понятиями «тепловая энергия»* и «электрическая энергия». Ho, оказывается, существуют еще и «механическая энергия », «химическая энергия», «энергия света» и другие формы энергии.

В этом разделе мы употребили понятие «тепловая энер­гия» вместо обычно используемого физиками «внутренняя энергия». Это сделано осознанно, чтобы подчер­кнуть связь внутренней энергии с температурой .

Рис. 1.46. Некоторые примеры преобразования энергии в промышленности и бытовых приборах

Различные формы энергии могут превра­щаться одна в другую (рис. 1.44). Так, механическая энергия падающего шарика превратилась в механическую энергию разлетающихся брызг воды. Однако точные измерения температуры установят, что вода в емкости при падении в нее шарика немного нагрелась. Значит, механическая энергия ша­рика частично превратилась в механическую энергию брызг, а частично - в тепловую энергию воды.

Превращения энергии вы осуществляете ежедневно, часто даже не по­дозревая об этом (рис. 1.46). Так, при включении магнитофона часть элек­трической энергии преобразуется в звуковую энергию. Включая лампочку, мы даем возможность электрической энергии превратиться в световую и теп­ловую. В этом случае преобразование в световую энергию очевидно, а для проверки того, что электрическая энергия превратилась в тепловую, доста­точно приблизить ладонь к лампочке - и вы сразу же почувствуете тепло.

Превращение электрической энергии в тепловую в лампочке - «побоч­ный» и даже вредный эффект. Однако нередко электрическую энергию пре­образуют в тепловую целенаправленно, создавая для этого специальные устройства. Это всем известный электрический чайник, утюг, электрокамин, нагревательный элемент автоматической стиральной машины и другие бы­товые устройства. Превращение электрической энергии в тепловую исполь­зуется и в промышленности - например, для плавки металлов.

Чтобы у вас не возникло ошибочное впечатление, что только электри­ческая энергия может превращаться в другие формы энергии, укажем и на противоположные процессы. Например, на гидроэлектростанциях механическая энергия падающей воды превращается в электрическую (рис. 1.45).

• Подводим итоги

Сила - это количественная мера взаимодействия тел. Сила характе­ризуется численным значением, направлением, точкой приложения. Сим­вол силы - F.

Физическая величина, характеризующая способность тела совершать работу, называется энергией тела (W).

Существует много форм энергии - механическая, тепловая, химическая, звуковая, электрическая и ряд других. В ходе различных физических процес­сов и взаимодействий энергия может из одной формы превращаться в другие.

• Контрольные вопросы

1. Что называют силой?

2. Что мы должны знать о силе, кроме ее численного значения?

3. Когда мы используем слово «работа» в быту? А в физике?

4. Что такое энергия?

5. Приведите примеры различных форм энергии.

• Упражнения

1. Мы часто используем словосочетания «на тело действует сила тя­жести» или «движению автомобиля мешает сила сопротивления воздуха», хотя, с точки зрения физики, правильнее было бы ска­зать: «на тело действует Земля, ее действие характеризуется силой тяжести» и «движению автомобиля мешает воздух, действие кото­рого характеризуется силой сопротивления воздуха». Попробуйте привести аналогичные примеры.

2. Подберите пословицы и поговорки, в которых встречаются слова «сила», «энергия», «работа». Бытовой или физический смысл зало­жен в этих понятиях?

3. Какие превращения энергии происходят во время работы вентиля­тора?

• Физика и техника в Украине

Производственное объединение «Южмаш» и конс­трукторское бюро «Южное»

В начале 50-х годов прошлого столетия крупный авто­мобильный завод в Днепропетровске был переоборудован в завод по производству космических ракет и создано конс­трукторское бюро (КБ) для их разработки. С этого времени КБ «Южное» и завод «Южмаш» определяют мировой уро­вень многих направлений и достижений в ракетно-косми­ческой науке и технике. Конструкторами КБ «Южное» разра­ботано 67 типов космических аппаратов и 12 космических комплексов. В последнее время КБ «Южное» и «Южмаш» создали самый совершенный в мировой ракетно-космическои технике по конструктивному исполнению и автоматизацией подготовки к пуску комплекс «Зенит». А всего в сотрудничестве с «Южмашем» было изготовлено и выведено на орбиту более 400 космических аппаратов.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. - X.: Издательство «Ранок», 2007. - 192 с.: ил.

Содержание урока конспект урока и опорный каркас презентация урока интерактивные технологии акселеративные методы обучения Практика тесты, тестирование онлайн задачи и упражнения домашние задания практикумы и тренинги вопросы для дискуссий в классе Иллюстрации видео- и аудиоматериалы фотографии, картинки графики, таблицы, схемы комиксы, притчи, поговорки, кроссворды, анекдоты, приколы, цитаты Дополнения рефераты шпаргалки фишки для любознательных статьи (МАН) литература основная и дополнительная словарь терминов Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике замена устаревших знаний новыми Только для учителей календарные планы учебные программы методические рекомендации

В результате этого взаимодействия может происходить изменение кинематического состояния материальных тел, т.е. не только изменение их положения в пространстве, но и изменение скоростей точек тела. Это определение ускоряющего свойства силы будет развито в динамике. В задачах статики мы будем понимать под силой действие одного тела на другое, выражающееся в виде давления, притяжения или отталкивания.

Простейшим примером силы является сила тяжести. Эта сила, с которой всякое тело притягивается Землей, в результате чего несвободное тело оказывает на свою опору давление (статическое действие силы), а, будучи свободным, падает на Землю с ускорением g (динамическое действие силы).

Рис. 1

Сила – величина векторная , поэтому графически изображается вектором (рис. 1). Обычно начало или конец вектора совпадает с точкой приложения силы; прямая, вдоль которой направлен вектор, изображающий силу, называется линией действия силы ; стрелка на конце вектора показывает, в какую сторону действует сила.

Длина вектора в принятом масштабе определяет численную величину (модуль) силы.

Таким образом, действие силы на тело определяется тремя факторами: численным значением (модулем), направлением вдоль линии действия и точкой приложения .

Замечание: на приведенных рисунках векторы сил условимся обозначать буквами F , R , G , и др. без стрелки (черты) сверху, так как изображение силы отрезком прямой со стрелкой на конце и есть вектор силы.

Точка приложения силы и точка приложения составляющих этой силы одна и та же. При разложении силы на составляющие необходимо выделить точку приложения.

Модуль или численное значение силы в системе СИ измеряется в ньютонах (Н). Иногда используют техническую систему МКГСС – килограмм-сила (кГс). 1 кГс = 9,81Н или 1Н ≈ 0.1 кГс.

Силы, действующие на твердое тело (или систему тел), делятся на внешние и внутренние силы.

Внешними называются силы (нагрузки), действующие на частицы данного тела (или на тела системы) со стороны других материальных тел (F е ). По условиям приложения различают нагрузки объемные и поверхностные. Объемными называются силы, распределенные по всему объёму тела. К объемным силам относятся: силы тяжести, силы инерции и магнитные воздействия и т.п.

Если внешние силы являются результатом непосредственного взаимодействия тела с другими телами (твердыми, жидкими или газообразными), то они прикладываются только по площадкам контакта и называются поверхностными .

Внутренними называются силы, с которыми частицы данного тела действуют друг на друга (F i ).

Поверхностные силы делятся на сосредоточенные силы и равномерно (неравномерно) распределённую нагрузку.

Сила, приложенная к телу в какой-нибудь одной его точке, называется сосредоточенной . Понятие о сосредоточенной силе является условным, так как практически приложить силу к телу в одной точке нельзя. Силы, которые в механике рассматриваются как сосредоточенные, представляют собою по существу равнодействующие некоторых систем распределённых сил.

Силы могут быть распределены по поверхности тела (например, давление газа в сосуде, снеговая нагрузка на кровлю здания, ветровая нагрузка, давление жидкости в резервуаре и др.) и по его длине (например, вес балки условно можно считать равномерно распределённым по его длине).

а ) силой, равномерно распределенной по прямой (рис. 2) – . Для такой системы сил интенсивность нагрузки q имеет постоянное значение. (q – интенсивность сплошной нагрузки (плотность распределения силы), она имеет размерность силы, деленной на длину [Н/м]). Принято условно изображать распределенную нагрузку над брусом, если она действует сверху вниз, и изображать под брусом, если она действует снизу вверх. При статических расчетах эту систему сил можно заменить равнодействующей Q . По модулю Q = q×l . Приложена сила Q в центре тяжести участка.

Рис. 2

б ) силой, распределенной вдоль отрезка прямой по линейному закону –

Рис. 3

В этом случае равнодействующая сила определяется как площадь треугольника по формуле:

Линия действия равнодействующей смещается в сторону больших значений интенсивности и проходит через центр тяжести площади треугольника, (пересечение медиан), который находится на расстоянии l /3 от стороны ВС эпюрного треугольника АВС . Примером такой нагрузки может служить силы давления воды на плотину, имеющие наибольшее значение у дна и падающие до нуля у поверхности воды.

В задачах, где распределенная нагрузка изменяется по трапециевидному закону, ее можно заменить одной сосредоточенной силой, проходящей через центр тяжести трапеции и равной по модулю площади трапеции, или разбить трапецию на треугольник и прямоугольник, после чего для каждой из частей найти равнодействующую, т.е. заменить трапецию двумя сосредоточенными силами.

в) общий случай - неравномерная криволинейно распределенная нагрузка.

Рис. 4

Равнодействующую сплошной нагрузки получаем интегрированием по длине участка:

;

Точка приложения сосредоточенной силы Q:

Внешние силы бывают активные и реактивные. Активные силы (нагрузка) вызывают перемещение тела, реактивные стремятся противодействовать перемещению тела под действием внешних сил.

Сила - это мера механического взаимодействия материальных тел между собой. Взаимодействие характеризуется величиной и на­правлением, т.е. сила есть величина векторная, характеризующа­яся точкой приложения (А), направлением (линией действия), вели­чиной (модулем) (рис. 1.1). Силу измеряют в ньютонах. Рис.1.1

Силы, действующие на тело (или систему тел), делятся на внеш­ние и внутренние. Внешние силы бывают активные и реактивные. Активные силы вызывают переме­щение тела, реактивные стремят­ся противодействовать перемещению тела под действием внешних сил.

Аксиомы статики. В результате обобщения человеческого опыта были установле­ны общие закономерности механического движения, выраженные в виде законов и теорем. Все теоремы и уравнения статики выводятся из нескольких исходных положений. Эти положения называют акси­омами статики.

Тела, ограничивающие перемещение других тел, называют свя­зями.

Силы, действующие от связей и препятствующие перемещению, называют реакциями связей.

Реакция связи всегда направлена с той стороны, куда нельзя перемещаться.

Все связи можно разделить на несколько типов.

Связь – гладкая опора (без трения)

Реакция опоры приложена в точке опоры и всегда направлена перпендикулярно опоре (рис. 1.2).

Гибкая связь (нить, веревка, трос, цепь.) Груз подвешен на двух нитях

Реакция нити направлена вдоль нити от тела, при этом нить может быть только растянута (рис. 1.3).

Рис.1.3 Рис. 1.4

Жёсткий стержень. На схемах стержни изображают толстой сплошной линией (рис. 1.4). Стержень может быть сжат или растянут. Ре­акция стержня направлена вдоль стержня.

Шарнирная опора. Шарнир допускает поворот вокруг точки закрепления. Различают два вида шарниров.

Подвижный шарнир(рис.1.5). Реакция подвижного шарнира направлена перпендикулярно опорной поверхности, т.к не допускается только перемещение поперек опорной поверхности. Реакция подвижного шарнира направлена перпендикулярно опорной поверхности, т.к не допускается только перемещение поперек опорной поверхности.

Рис. 1.5 Рис. 1.6

Неподвижный шарнир. Реакция такой опоры проходит через ось шарнира, но известно по направлению. Ее принято изображать в виде двух составляющих: горизонтальной и вертикальной (Rx ; Ry) (рис. 1.6)

Защемление или “жесткая заделка” (рис. 1.7)

Реактивную силу принято представлять в виде двух составляющих вдоль осей координат R =Rx + Ry

Рис. 1.7 Рис.1.8

Связь в виде шероховатой плоскости

R n – нормальная реакция;

F тр - сила трения, касательная реакция.

Полная реакция равна геометрической сумме: (рис. 1.8)

Связь в виде ребра двухгранного угла или точечной опорой .

Реакция направлена перпендикулярно поверхности тела опоры (рис.1.9)

Задание. Ответить на вопросы.

1. Какие силы системы можно убрать, не нарушая механического состояния тела (рис. 1.10)? Рисунок выполнить.

2. Какая из приведенных систем сил уравновешена на рис.1.11? Рисунок выполнить.

3. Укажите возможное направление реакций в опорах на рис.1.12. Рисунки выполнить.

4. Груз подвешен на стержнях и канатах и находится в равновесии (рис. 1.12). Изобразить систему сил, действующих на шарнир А.

5. Как называются виды опор, представленные на рисунке 1.13 (рисунки не выполнять)?

Самостоятельная работа №2

Тема 1.2 Плоская система сходящихся сил / 3,стр.12-27/

Знать геометрический и аналитический способы определения равнодействующей системы сил, условия равновесия плоской системы сходящихся сил.

Уметь определять равнодействующую, решать задачи на равновесие в геометрической и аналитической формах.

Статика.

Структура теоретической механики.

Теоретическую механику принято подразделять на три части: статику, кинематику и динамику .

Статика – это часть теоретической механики, в которой изучаются механические воздействия одних тел на другие тела и определяются условия и уравнения равновесия тел; в статике рассматриваются также эквивалентные преобразования воздействий. Здесь же излагаются методы нахождения центров тяжести тел (центров силового воздействия Земли на рассматриваемое тело) и основы теории сухого внешнего трения.

В кинематике изучается заданное механическое движение тел, которое не увязывается явно с воздействиями на них других тел. Иными словами, в кинематике движение тела предполагается заданным в виде изменения во времени величин, определяющих положение тела. Вопрос о том, чем обеспечивается это движение,

в кинематике не обсуждается.

В динамике движение тел рассматривается с учётом их механического взаимодействия с другими телами.

Так как строгое обоснование основных положений статики может быть выполнено только в динамике, то статику и динамику часто объединяют в один раздел, называемый кинетикой . В этом случае теоретическая механика подразделяется на две части: кинематику и кинетику . В кинетике условия и уравнения равновесия тел получают как частный случай динамических уравнений.

Совокупность величин, определяющих положение выделенного тела по отношению к другим телам, а также скорости изменения этих величин, будем называть состоянием этого тела . Состояние покоя или движения тела может изменяться вследствие механических воздействий на него других тел. Механическим взаимодействием тел будем называть такие воздействия одних тел на другие тела, в результате которых может измениться состояние рассматриваемого тела и могут измениться воздействия на него окружающих тел. Воздействия связей на рассматриваемое тело называют реакциями связей . Эти реакции способны полностью парировать (уравновесить) заданные воздействия. В этом случае состояние тела не изменяется.

Из опыта известно, что механическое взаимодействие тел может возникать как при контакте тел, так и на расстоянии. Количественной мерой механического взаимодействия тел служит воздействие, состоящее из силы и собственно момента , причём собственно момент для наглядности можно представить совокупностью двух равных по модулю и противоположно направленных сил, не лежащих на одной прямой. Такая совокупность двух сил называется парой сил .

Сила , с которой тело В действует на тело А,– это реакция тела В на бесконечно малое поступательное перемещение тела А (или на попытку такого его перемещения) относительно тела В.

Смещение тела А относительно тела В не всегда допускается связями, наложенными на тело А. В этих случаях мы говорим о попытке такого смещения.

При поступательных перемещениях тело не поворачивается.

В системе СИ размерность силы – Ньютон, [Н].

Собственно момент - это реакция тела В на бесконечно малый поворот тела А (или на попытку его поворота) относительно В вокруг некоторой произвольной точки Р, жёстко связанной с телом А и называемой точкой приведения.

Мы говорим о попытке поворота в случаях, когда связи, наложенные на тело А, делают этот поворот невозможным.

Размерность собственно момента - ньютон, умноженный на метр, [Н м].

Материальная точка не может испытывать сопротивление других тел при собственном повороте. Следовательно, материальная точка может воспринимать только силовые воздействия других тел.

В частных случаях механическое взаимодействие тел может определяться только силой или только моментом. Силу и собственно момент, как количественную характеристику механического взаимодействия тел, называют воздействием одного тела на другое. Позже понятие воздействия будет уточнено.

Воздействия будем разделять на заданные или активные, и на реакции связей .

Сила моделируется полярным вектором . Это утверждение - аксиома , которая легализует применение в теоретической механике всех известных действий над векторами, в том числе их сложение и разложение по правилу параллелограмма. И.Ньютон пишет, приведя пример сложения и разложения сил: “Как это сложение, так и разложение беспрестанно подтверждаются в учении о машинах”. (Исаак Ньютон. ‘’Математические начала натуральной философии”. Перевод с латинского и комментарии А.Н. Крылова. М., “Наука”, 1989).

Полярный вектор - обычный вектор, направление которого не зависит от ориентации пространства. Ориентацию пространства выбираем мы сами. Её можно задать путём выбора правой или левой декартовой системы координат.

Другой тип вектора, встречающегося в теоретической механике, называют осевым, аксиальным или псевдовектором. Аксиальный вектор - это вектор в ориентированном пространстве, который при изменении ориентации пространства изменяет своё направление на противоположное. Пример осевого вектора - векторное произведение двух полярных векторов.