Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар
Тема «Сили в природі»
- Ви вмієте вимірювати масу тіла, а навчитеся вимірювати його вагу
- Ви знаєте, що космонавти під час польоту перебувають у невагомості, а дізнаєтесь, як стати невагомим, не виходячи з кімнати
- Ви розумієте, що руху тіла заважає сила тертя, а будете знати, чому сила тертя спричиняє рух
§ 22. Сила — міра взаємодії. Графічне зображення сил. Додавання сил
Що ви уявляєте, коли вимовляєте такі слова, як «сильний», «силач», «найсильніший»? Найімовірніше, ці слова ви пов’язуєте з можливостями людини або тварини, потужністю механізму або з інтенсивністю прояву природних явищ. А який зміст надають поняттю «сила» фізики?
1. Що означає поняття «сила» у фізиці?
ДОСЛІДЖЕННЯ
Покладіть олівець на край стола і несильно штовхніть його вздовж стола. Що відбулось з олівцем? Чи досяг він протилежного краю стола? Чому він зупинився? Що відбудеться, якщо штовхнути сильніше? Чи відчули ви дію олівця на вашу руку?
А тепер спробуйте відповісти на запитання, що наведені в завданні дослідження, оперуючи такими поняттями, як «дія», «взаємодія», «зміна швидкості».
Виконуючи ці завдання, ви ще раз переконалися в тому, що причиною зміни швидкості руху тіла є його взаємодія з іншими тілами. Щоб олівець почав рух, ви б’єте по ньому рукою, але водночас і олівець «б’є» по вашій руці. Поверхня стола діє на олівець, зупиняючи його, й олівець теж діє на поверхню стола.
Наведемо ще один приклад: щоб зупинити велосипед, ви натискаєте на ручки гальма і водночас відчуваєте, як вони тиснуть на ваші долоні.
Зверніть увагу: в будь-якому випадку результат залежить від того, наскільки «сильною» буде взаємодія: сильніше вдарите по олівцю — олівець набере більшу швидкість; сильніше натиснете на гальма — скоріше зупиниться велосипед.
Мірою дії одного тіла на інше слугує фізична величина сила.
Сила — це фізична величина, яка є мірою дії одного тіла на інше (мірою взаємодії тіл).
Силу зазвичай позначають символом F (від лат. fortis, що означає «сильний»). Одиниця сили в СІ — ньютон (названа так на честь Ісаака Ньютона):
[F] = H.
1 Н дорівнює силі, яка, діючи на тіло масою 1 кг протягом 1 с, змінює швидкість руху цього тіла на 1 м/с.
Чим більшою є сила та чим тривалішим є час, тим помітніше змінюється швидкість руху цього тіла (рис. 22.1).
Рис. 22.1. Дорослий тенісист здатний змусити м'яч летіти зі швидкістю руху спортивного автомобіля; малюк не може сильно вдарити по м'ячу, тому надає йому досить невеликої швидкості руху
Щоб тіла різної маси за однаковий час змінювали швидкості своїх рухів однаково, на них мають діяти різні сили (рис. 22.2).
Рис. 22.2. Щоб важкий автомобіль міг розігнатися так само швидко, як легкий мотоцикл, на автомобіль слід установити потужніший двигун
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Саме Ісаак Ньютон уперше застосував термін «сила» у тому сенсі, у якому ми розуміємо цей термін сьогодні. У своїй роботі «Математичні начала натуральної філософії» («Philosophiae Naturalis Principia Mathematica»), яка була надрукована у 1687 році в кількості 300 екземплярів, Ньютон дав означення прискорювальній силі, тобто силі, що «відповідає» за зміну швидкості руху тіла.
2. Як правильно зображувати сили?
ДОСЛІДЖЕННЯ
Покладіть олівець на стіл. Намагаючись діяти однаково сильно, стукніть пальцем по торцю олівця спочатку в одному напрямку, а потім у протилежному; тепер спробуйте стукнути перпендикулярно олівцю, спочатку діючи на його середину, а потім на його кінець.
Ми бачимо, що результат дії сили (результат вашої дії) залежить не лише від її значення, а також від напрямку та точки, до якої ця сила прикладена.
Згадайте: фізичні величини, які мають значення та напрямок, називають векторними. Отже, сила — векторна величина.
На рисунках вектор сили починають у точці, куди прикладена сила (цю точку так і називають — точка прикладання сили), і спрямовують у напрямку дії сили. Довжину стрілки іноді обирають такою, щоб вона в певному масштабі відповідала значенню сили (рис. 22.3).
Рис. 22.3. З боку Землі на тіло масою m1 = 400 г діє сила F1 = 4 Н, на тіло масою m2 = 600 г діє сила F2 = 6Н. Довжини стрілок, які зображують ці сили, у певному масштабі дорівнюють значенням сил
Розгляньте таблицю та з'ясуйте, як зміна швидкості руху тіла залежить від напрямку дії сили. Наведіть власний приклад до кожного стовпця таблиці.
3. Як додати сили, що діють уздовж однієї прямої?
Зазвичай на тіло діє не одна сила, а дві, три або більше.
Розглянемо приклад, коли на тіло в одному напрямку діють дві сили. Поставимо на стіл візок і прив’яжемо до нього дві нитки. Одна людина потягне за одну нитку із силою 5 Н, а інша людина за другу — в тому самому напрямку — із силою 3 Н (рис. 22.4). Візок почне рухатися, збільшуючи швидкість свого руху. Збільшення швидкості руху візка буде таким самим, як і тоді, коли б на нього діяла 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 тягти візок у протилежні боки (рис. 22.5), то сили не «допомагатимуть» одна одній розганяти візок, а навпаки — «заважатимуть». У цьому 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.
Як ви вважаєте, якою буде рівнодійна, якщо нитки, прив'язані до візка з протилежних боків, потягти із силами, однаковими за значенням — наприклад, 5 Н? Чи зміниться в цьому випадку швидкість руху візка?
4. Коли сили зрівноважують одна одну?
Сподіваємось, ви правильно відповіли на запитання і самостійно дійшли висновку: якщо дві сили рівні за значенням, протилежні за напрямком і прикладені до одного тіла, то рівнодійна цих сил дорівнює нулю, оскільки сили зрівноважують одна одну і причини для зміни швидкості руху тіла не існує.
Так, горизонтальним прямолінійним відрізком шосе автомобіль рухається рівномірно (рис. 22.6, а), якщо сила тяги, яку створює двигун, компенсує силу опору рухові (сила опору рухові досить швидко зупинить автомобіль, якщо двигун не буде працювати). Портфель у руці перебуває в стані спокою, якщо сила притягання Землі, яка діє на портфель, компенсується силою, яку прикладає до портфеля людина (рис. 22.6, б).
Рис. 22.6. Якщо сили, які діють на тіло, рівні за значенням і протилежні за напрямком, то тіло рухається рівномірно прямолінійно (а) або перебуває в стані спокою (б)
А ЯК НАСПРАВДІ?
Софія стверджує, що якщо на тіло діють дві однакові за модулем сили, наприклад 20 Н, то рівнодійна цих сил може або дорівнювати нулю, або становити 40 Н. Микита заперечує і наголошує на тому, що рівнодійна може приймати будь-яке значення — від 0 до 40 Н. Хто з дітей має рацію?
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Дайте означення сили. 2. Якою є одиниця сили в СІ? 3. Чому сила — це векторна величина? 4. Як показують силу на рисунках? 5. Дайте означення рівнодійної. 6. Як знайти рівнодійну двох сил, які діють уздовж однієї прямої в одному напрямку? у протилежних напрямках? 7. За яких умов дві сили зрівноважують одна одну?
ВПРАВА № 22
1. Доберіть певний масштаб і накресліть у зошиті сили, що дорівнюють 3,2 Н; 5,6 Н; 8 Н. Зіставте своє креслення з кресленнями однокласників. Чи відрізняються вони? Чому?
2. Канат, який тягнуть у протилежні боки дві людини, залишається нерухомим. Одна людина тягне канат із силою 300 Н. З якою силою тягне канат друга людина? Зобразіть на рисунку сили, що діють на канат. Чому дорівнює рівнодійна цих сил?
3. Два хлопчики тягнуть санки, прикладаючи горизонтальні сили 50 і 70 Н, напрямлені вздовж однієї прямої. Яким може бути значення рівнодійної цих сил?
4. На рис. 1 зображені тіла та сили, що на них діють (1 клітинка — 1 Н). Перенесіть кожний рисунок до зошита, знайдіть рівнодійну та зобразіть її.
Рис. 1
5. 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.
6. Чи може рухатись автомобіль, якщо рівнодійна всіх сил, прикладених до нього, напрямлена протилежно напрямку руху? Якщо може, наведіть приклад.
7. На тіло діють три сили, напрямлені вздовж однієї прямої. Дві сили 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.
Ключові терміни
Взаємодія • Сила • Значення сили (модуль) • Напрямок сили • Точка прикладання сили • Ньютон • Додавання сил • Рівнодійна
