Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

Розділ 3. Взаємодія тіл. Сила

  • Ви вмієте вимірювати масу тіла, а навчитеся вимірювати його вагу
  • Ви розумієте, що руху тіла заважає сила тертя, а будете знати, чому сила тертя спричиняє рух
  • Ви знаєте, що для того, щоб стати невагомим, слід опинитися в космічному кораблі, а дізнаєтесь, як стати невагомим, не виходячи з кімнати
  • Ви бачили, як людина піднімається в небо на повітряній кулі, а зможете розрахувати розміри кулі, яка підніме в повітря саме вас
  • Ви знаєте, що риби плавають, а дізнаєтесь, чому і як плаває підводний човен

Частина І. Сила. Види сил

§ 14. Явище інерції

Автомобіль мчить дорогою, у небі літає птах, куля для боулінгу котиться по доріжці. Завдяки чому триває кожен із цих рухів? Чи існує якась причина їх виникнення? Чи потрібне взагалі щось, щоб підтримувати рух? Чому швидкість руху одних тіл змінюється, а інших — залишається незмінною? Спробуємо відповісти на ці запитання.

1. Переконуємося в тому, що тіла взаємодіють

У повсякденному житті ми постійно маємо справу з різними видами дії одних тіл на інші. Щоб відчинити двері, ми діємо на них рукою; завдяки дії ноги м’яч летить у ворота; сідаючи на стілець, ми діємо на нього.

Водночас, відчиняючи двері, ми відчуваємо їхню дію на руку; дія м’яча на ногу особливо відчутна, якщо ми граємо у футбол босоніж; дія стільця не дозволяє нам упасти на підлогу. Тобто дія завжди є взаємодією: якщо одне тіло діє на друге, то й друге тіло діє на перше (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Приклади взаємодії тіл

Проведіть дослід. Стоячи з товаришем на скейтах, потягніть за мотузку, яку він триматиме в руках. Хто з вас почне рухатися? Прокоментуйте результат досліду за рис. 14.2.

Рис. 14.2. Дія завжди є взаємодією: хто б не тягнув за мотузку, рухатимуться і хлопчик, і дівчинка

2. З’ясовуємо, за яких умов тіло перебуває в стані спокою

М’яч, який лежить на підлозі, перебуває в стані спокою. Однак варто штовхнути м’яч рукою — і стан спокою порушиться: внаслідок взаємодії з рукою м’яч почне рух. А чи взаємодіяв м’яч із чимось до цього? Звичайно, так. Ви добре знаєте, що всі тіла, які перебувають поблизу Землі, взаємодіють із нею. І якщо «усунути» підлогу, то під дією притягання Землі м’яч відразу почне рухатися. А перебуває він у стані спокою тому, що дія Землі на м’яч скомпенсована (зрівноважена) дією підлоги.

Рис. 14.3. М’яч перебуває в стані спокою, оскільки дія Землі скомпенсована дією підлоги

Рис. 14.4. Люстра перебуває в стані спокою, оскільки дія Землі скомпенсована дією підвісу

Рис. 14.5. Із життєвого досвіду знаємо: щоб візок рухався з незмінною швидкістю, хтось має його штовхати

Тіло перебуває в стані спокою, якщо дії на нього інших тіл скомпенсовані (рис. 14.3, 14.4).

3. Дізнаємося, за яких умов тіло рухається рівномірно прямолінійно

Понад 2500 років тому давньогрецький філософ Аристотель, розмірковуючи про причини руху тіл, дійшов начебто правильного з точки зору життєвого досвіду, але хибного з погляду фізики висновку: для підтримування руху тіла потрібна постійна дія на нього інших тіл (рис. 14.5). Але наприкінці ХVІ ст. видатний італійський учений Ґалілео Ґалілей, провівши досліди зі скочуванням кульок похилим жолобом та здійснивши уявний експеримент* (рис. 14.6), визначив, що ідеї Аристотеля не можуть правильно пояснити причини руху тіл.

Рис. 14.6. Уявний експеримент Ґалілея. Коли кулька скочується жолобом униз, вона набирає швидкість; коли закочується вгору, сповільнює свій рух. Ґалілей поставив запитання: «Як буде рухатися кулька горизонтальним гладеньким жолобом, коли руху нічого не заважатиме?». Відповідь була несподіваною: кулька рухатиметься з незмінною швидкістю як завгодно довго. На рисунку: v0 — початкова швидкість руху; vк — кінцева швидкість руху

* Експеримент, що проводиться у вигляді міркувань, у фізиці називають уявним експериментом. Уявні експерименти дають змогу обґрунтовувати здогадки, що потім підтверджуються або спростовуються подальшими реальними експериментами.

Здійснимо уявний експеримент і ми. Уявіть хлопчика, який мчить довжелезною горизонтальною ковзанкою (рис. 14.7). Якщо його ніхто не штовхає і не тягне, то, як підказує наш досвід, урешті-решт він має зупинитися. При цьому час руху хлопчика буде залежати від зовнішніх умов. Якщо, наприклад, на льоду є намерзлий сніг, то хлопчик проїде лише 2-3 м; якщо лід гладенький, не є межею і 20 м; а якщо хлопчик стане на ковзани, він може «пролетіти» й сотню метрів.

Розмірковуємо далі. Уявіть, що «гальмування» немає зовсім, а хлопчик не зазнає жодної дії ззовні. У цьому випадку уявний хлопчик ковзатиме з незмінною швидкістю уявною ковзанкою як завгодно довго. При цьому дія Землі та дія ковзанки, яка не дає хлопчикові «провалитися», зрівноважують (компенсують) одна одну.

Умова руху тіла з незмінною швидкістю відома в механіці як закон інерції:

Тіло рухається рівномірно прямолінійно або перебуває в стані спокою лише тоді, коли на нього не діють інші тіла або дії інших тіл скомпенсовані.

4. Знайомимося з інерцією

Фізичне явище зберігання тілом стану спокою або рівномірного прямолінійного руху називають інерцією (від лат. inertia — нерухомість, бездіяльність).

Інерція — це явище зберігання швидкості руху тіла за відсутності або скомпенсованості дії на нього інших тіл.

У фізиці рух тіла за ідеальних умов (коли на тіло зовсім не діють інші тіла) називають рухом за інерцією.

У реальності неможливо створити умови, за яких дія інших тіл відсутня. Тому в повсякденні рухом за інерцією вважають випадки, коли дія на тіло інших тіл є доволі слабкою і до помітної зміни швидкості свого руху тіло проходить значний шлях (рис. 14.8).

Рис. 14.7. Чи зупиниться хлопчик, якщо ніщо не заважатиме його рухові?

Рис. 14.8. Ковзання шайби по льоду після удару ключкою можна вважати рухом за інерцією

5. Спостерігаємо результат дії одного тіла на інше

А як буде рухатися тіло, на яке діють інші тіла, і ця дія не є скомпенсованою? Наприклад, як рухатиметься більярдна куля, на яку налітає інша куля, і її удар нічим не компенсується? Як буде рухатися тягарець, що висить на нитці, якщо нитку перерізати і дія Землі не буде зрівноважена дією нитки? Що буде, якщо, рухаючись на велосипеді, ви припините обертати педалі і ваша дія не скомпенсує опір руху велосипеда з боку дороги та інших тіл?

У цих та багатьох інших випадках тіла змінюють швидкість свого руху: більярдні кулі полетять у різні боки з різними швидкостями (рис. 14.9); тягарець почне падати з дедалі більшою швидкістю; ви на велосипеді станете рухатися повільніше і врешті-решт зупинитеся.

Рис. 14.9. Більярдні кулі внаслідок зіткнення змінюють швидкості свого руху як за значенням, так і за напрямком

Отже, можна зробити висновок: якщо дії на тіло інших тіл не скомпенсовані, то тіло змінює швидкість свого руху за значенням чи напрямком або одночасно за значенням і напрямком*.

Підбиваємо підсумки

Тіло рухається рівномірно прямолінійно або перебуває в стані спокою лише тоді, коли на нього не діють інші тіла або дії інших тіл скомпенсовані.

Інерція — це явище зберігання швидкості руху тіла за відсутності або скомпенсованості дії на нього інших тіл.

Якщо дії на тіло інших тіл не скомпенсовані, то тіло змінює швидкість свого руху за значенням чи напрямком або за значенням і напрямком одночасно.

Контрольні запитання

1. Наведіть приклади взаємодії тіл. 2. За яких умов тіло перебуває у стані спокою? рухається рівномірно прямолінійно? 3. Як рухається тіло, якщо на нього не діють інші тіла? 4. Дайте означення інерції. 5. Що відбувається з тілом, коли дії на нього інших тіл не скомпенсовані?

* Зауважимо, що внаслідок взаємодії тіла можуть не тільки змінити швидкість свого руху, а й деформуватися, тобто змінити свої розміри та форму. Докладніше про деформацію тіл ви дізнаєтесь із матеріалу § 19.

Вправа № 14

1. Ви сидите на стільці. Як і стілець, ви перебуваєте у стані спокою відносно Землі. Які тіла діють на стілець? на вас? Що ви можете сказати про ці дії?

2. Повітряна бульбашка спливає в озері з незмінною швидкістю. Що діє на бульбашку? Чи будуть ці дії скомпенсованими?

3. За яких умов візок (див. рис. 14.5) рухається рівномірно прямолінійно? збільшує швидкість руху? зменшує швидкість руху?

4. Чи можна рух більярдної кульки після удару вважати рухом за інерцією? Поясніть свою думку.

5. У космічному просторі немає від чого відштовхнутись, але космічні ракети успішно там літають, змінюючи швидкість свого руху. Від чого «відштовхуються» ракети, щоб змінити швидкість свого руху?

6. Напишіть короткий твір на тему «Мій досвід, який підтверджує взаємодію тіл» (це може бути навіть вірш!). Оформте твір на окремому аркуші, додавши фото або малюнки.

7. Подайте в кілограмах і запишіть у стандартному вигляді такі маси тіл: а) 5,3 т; б) 0,25 т; в) 4700 г; г) 150 ц.

8. Наведіть приклади руху за інерцією з реального життя. Поясніть свою думку.

Експериментальне завдання

«Реактивний рух». Здійсніть уявний експеримент. Уявіть, що ви, рухаючись на скейті, кинули в напрямку, протилежному напрямку вашого руху, важке тіло. Як зміниться швидкість вашого руху? Що відбудеться в разі, якщо ви кинете тіло в напрямку вашого руху? перпендикулярно до напрямку руху? Якщо є можливість, перевірте ваші відповіді реальним експериментом. Де можна застосувати (або вже застосовують) спостережувані явища?

Фізика і техніка в Україні

Микола Миколайович Боголюбов (1909-1992) — видатний фізик і математик XX ст., академік, засновник наукових шкіл з нелінійної механіки та теоретичної фізики; побудував теорію надплинності та надпровідності.

Уже в 13 років його знання математики й фізики можна було порівняти з повним університетським курсом. У 19 років він захистив кандидатську дисертацію, а в 21 рік отримав науковий ступінь доктора математики без захисту дисертації.

У 1913-1950 рр. Микола Миколайович жив і працював у Києві. М. М. Боголюбов був засновником і директором Інституту теоретичної фізики АН України (Київ). Цей інститут зараз носить його ім’я.

В Академії наук України засновано премію імені М. М. Боголюбова.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.