Природничі науки. 8 клас. Інтегрований курс. Мандренко

Розділ 8. Сили та тиск

Гірський велосипедист покладається на силу тяжіння, щоб розганятися до високих швидкостей під час спуску крутим схилом. Його швидкість також залежить від інших сил: зусилля, яке він передає на колеса через педалі, та тертя між шинами й поверхнею. Сніг або лід кардинально змінюють силу тертя. Щоб визначити напрямок руху велосипеда, байкер інстинктивно підсумовує постійно змінювані сили і керує ними, прискорюючи або гальмуючи. Різниця між установленням рекордного часу та масовою аварією часто полягає у рішеннях, ухвалених за долі секунди.

У цьому розділі ви дізнаєтеся:

про сили, що діють на рухоме тіло;
чому виникає тиск у рідинах і газах;
про будову атмосфери та атмосферний тиск.

У цьому розділі ви навчитеся:

знаходити рівнодійну сил, що діють на тіло;
обчислювати тиск, який чинить тіло на поверхню;
обчислювати зміну тиску під час підйому на висоту.

rnk.com.ua/108797

Тема 1. Сили

rnk.com.ua/108798

Будете навчатися:

розрізняти види сил;
описувати, які сили впливають на рух тіла;
представляти наукові ідеї за допомогою символів та формул.

Сили

Слово «сила» вам знайомо з дитинства. Якщо потрібно зрушити з місця тіло, що перебуває у спокої, або зупинити рухоме тіло, то необхідно докласти певне м'язове зусилля. Це зусилля може бути більшим чи меншим. Слово «сила» вживається під час опису багатьох явищ природи — сильний вітер, сильний дощ тощо.

Часто воно характеризує поняття, які зовсім не пов'язані з м'язовими зусиллями, наприклад, сильний біль, сильне почуття. Науковці використовують поняття «сила» для кількісної характеристики взаємодії тіл.

Сила — це фізична величина, яка є мірою взаємодії двох тіл. В результаті взаємодії тіла деформуються або змінюють свою швидкість. Силу позначають літерою F.

На честь англійського фізика Ісаака Ньютона (рис. 8.1), який зробив величезний внесок у дослідження природи та використання різних видів сили, одиниця виміру сили у фізиці називається ньютон (Н). Сила — векторна величина.

Рис. 8.1. Англійський фізик Сер Ісаак Ньютон (04.01.1643 — 31.03.1727)

Попрактикуйтеся

1. В 7-му класі ви знайомилися з деякими силами. Пригадайте:

а) як називаються та позначаються ці сили;
б) унаслідок дії якої сили виникає рух тіла;
в) дія якої сили спричиняє деформацію тіла.

2. Що таке векторна величина. Які векторні величини ви знаєте?

Сила тертя

Під час руху по горизонтальній поверхні тіло може збільшувати або зменшувати швидкість або зупинятися. Причиною зміни швидкості є сили, які діють на це тіло. Ці сили можуть бути різними: як ті, що викликають рух, так і ті, що його уповільнюють.

Сила тяги викликає рух і підтримує його. Вона завжди діє в напрямку руху. Силу тяги може створити, наприклад, двигун автомобіля, кінь, який тягне віз, людина, яка що-небудь тягне або штовхає. Чисельне значення цієї сили цілком залежить від її джерела.

Уповільнює рух сила тертя. Сила тертя — це сила, яка виникає під час руху тіла по поверхні іншого та спрямована в бік, протилежний руху (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Сила тяги та сила тертя

Розрізняють два види тертя. Зазвичай ми стикаємося із сухим тертям, яке виникає між двома поверхнями твердих тіл. Якщо між двома поверхнями існує прошарок із рідини або газу, таке тертя називають в'язким. Ми суттєво відчуваємо різницю, коли ходимо по сухій підлозі та мокрій.

Залежно від взаємного переміщення тіл ми стикаємося з різними типами тертя. Тертя спокою спостерігається між двома тілами, якщо вони не рухаються одне відносно одного. Його слід подолати, щоб привести в рух два тіла відносно одне одного. Наприклад, тертя спокою утримує вантаж від скочування з нахиленої поверхні (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Сила тертя спокою

Попрактикуйтеся

3. Поміркуйте та наведіть ще приклади тіл, на які діє сила тертя спокою.

Тертя ковзання виникає внаслідок переміщення одного тіла по поверхні іншого (рис. 8.4). Науковці експериментально встановили, що сила тертя ковзання прямо пропорційна чисельному значенню маси тіла. Дійсно, чим більша маса тіла, тим важче нам рухати його.

Рис. 8.4. Сила тертя ковзання

Іншим фактором, який упливає на рух тіла є стан поверхні, по якій рухається тіло. Навіть гладенькі на вигляд поверхні тіл мають нерівності й подряпини (рис. 8.5). Коли одне тіло рухається по поверхні іншого, ці нерівності чіпляються одна за одну.

Рис. 8.5. Нерівності поверхні є причиною сили тертя

Це рівняння можна представити за допомогою графічної схеми (рис 8.6) та текстової формули (рис. 8.7).

Рис. 8.6. Графічна схема формули сили тертя

Рис. 8.7. Текстова формула сили тертя

Коефіцієнт тертя ковзання — безрозмірна величина, значення якої залежить від матеріалу тіл, що дотикаються, та якості їх поверхні. У таблиці наведено значення коефіцієнтів тертя для деяких поверхонь.

Таблиця 8.1. Коефіцієнт тертя ковзання деяких поверхонь

Матеріали	Коефіцієнт тертя ковзання	Матеріали	Коефіцієнт тертя ковзання
Сталь по льоду	0,02	Папір (картон) по дереву	0,40
Сталь по сталі	0,20	Шкіра по чавуну	0,56
Дерево по дереву	0,25	Гума по бетону	0,75

Попрактикуйтеся

4. Якщо мінімізувати шорсткість поверхні, сила тертя зросте. Отже, існує ще одна причина виникнення сили тертя. Пригадайте будову речовини та поміркуйте, у чому полягає ця причина.

5. На слизьких ділянках дороги встановлюють дорожній знак «Обережно, слизька дорога». Поясніть, чому ця інформація важлива для водіїв.Тертя кочення виникає, коли потрібно переміщувати вантаж, закріплений на колесах (рис. 8.8). Оскільки тертя кочення є найслабшим, переміщення вантажу на колесах потребує найменших зусиль.

Рис. 8.8. Сила тертя кочення

Попрактикуйтеся

6. Поверхні кісток у суглобі вкриті хрящем і розділені порожниною, заповненою суглобовою рідиною. Поміркуйте, яку функцію виконує ця рідина.

7. Наведіть якомога більше прикладів руху, де виникають різні сили тертя — кочення і ковзання.

Завдання 8.1. Перевіряємо гіпотези

Перевірка гіпотези: «Сила тертя, що діє на нерухоме тіло на похилій площині, зменшується, якщо збільшити кут нахилу площини».

Науковець спостерігав процес розвантаження самоскида і помітив, що для вивантаження деяких матеріалів кузов вантажівки потрібно піднімати вище, ніж для інших. Він зробив висновок, що це можна пояснити тим, що сила тертя зменшується зі збільшенням кута нахилу кузова вантажівки.

1. Запишіть гіпотезу науковця так, щоб її можна було перевірити в експерименті.

2. Сплануйте дослідження для перевірки цієї гіпотези. Плануючи своє дослідження, вам потрібно буде врахувати такі моменти:

а) Що ви будете змінювати (незалежна змінна);
б) Що ви будете вимірювати (залежна змінна);
в) Що ви залишите незмінним (контрольні змінні).

3. Поміркуйте, які прилади вам знадобляться, підготуйте їх.

4. Зробіть необхідні вимірювання.

5. Складіть таблицю і запишіть свої результати.

6. Зробіть висновок. Чи підтверджують результати гіпотезу?

Рівнодіюча сила

Здебільшого на тіло діє кілька сил одночасно. Наприклад, під час руху автомобіля на нього діють сила тяги двигуна та сила тертя з боку дороги.

В 7-му класі ви познайомилися з діаграмою сил — схемою, на якій позначено всі сили, що діють на тіло, і за якою можна передбачити результат дії цих сил (рис. 8.9). Сили позначають у вигляді стрілок. Напрямок стрілки вказує напрямок дії сили. Щоб зрозуміти, як буде рухатися тіло, коли на нього діє кілька сил одночасно, потрібно знати напрямок і значення рівнодійної цих сил.

Рис. 8.9. Діаграма сил, що діють на тіло

Рівнодійною сил називають силу, яка чинить на тіло таку само дію, як кілька сил, що діють одночасно. Як визначити цю силу? Якщо дві сили, що діють на тіло, спрямовані в один бік, то напрямок їх рівнодійної збігається з напрямком дії докладених сил, а чисельне значення обчислюють складанням значень цих сил (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Рівнодійна сил, спрямованих в один бік

Якщо дві сили, що діють на тіло, спрямовані протилежно, то напрямок їх рівнодійної збігається з напрямком більшої сили. Щоб визначити чисельне значення рівнодійної сили, потрібно від більшого значення відняти менше (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Рівнодіюча сил, спрямованих в різні боки

Дві сили зрівноважать одна одну (рис. 8.12), якщо вони рівні за значенням, протилежні за напрямком і докладені до одного тіла. Якщо тіло знаходиться в спокої чи рухається прямолінійно та рівномірно, то рівнодійна всіх сил, докладених до нього, дорівнює нулю.

Рис. 8.12. Зрівноважені сили

Попрактикуйтеся

8. Доберіть певний масштаб і накресліть у зошиті сили, що дорівнюють 5 Н; 7,6 Н; 27 Н.

9. Один хлопчик штовхає вантаж ззаду із силою 40 Н, а інший тягне його за мотузку із силою 20 Н. Зобразіть ці сили на кресленні та знайдіть їх рівнодійну.

10. На тіло діють дві сили, спрямовані вздовж однієї прямої. Чому дорівнює рівнодійна сил, якщо F1 = 8 Н, F2 = 12 Н? Чому може дорівнювати рівнодійна цих сил? Спробуйте знайти всі можливі варіанти та накресліть їх.

Наука в дії. Зменшення споживання енергії та палива

Зменшення споживання енергії та палива автомобілями. Ефективне використання пального є ключовим аспектом для зниження експлуатаційних витрат автомобіля та зменшення впливу на довкілля. Науковці проводили низку експериментів, щоб з'ясувати, як зменшити витрати пального, і дійшли таких висновків:

• Плавне прискорення та передбачення дорожньої ситуації для запобігання несподіваним гальмуванням допомагають знизити споживання пального.

• Високі швидкості збільшують аеродинамічний опір та витрату пального.

• Додаткова вага в автомобілі спричиняє збільшення витрат пального. Звільнення автомобіля від непотрібних предметів та надлишкового багажу може допомогти зменшити його загальну вагу і, як наслідок, витрати пального.

• Недостатній тиск у шинах збільшує опір коченню, що, в свою чергу, призводить до зростання витрат пального. Регулярна перевірка та підтримання рекомендованого виробником тиску в шинах допомагають поліпшити паливну ефективність.