Фізичні явища навколо нас. 7 клас. Годована

Знання — сила

Говорячи про рух матеріальних тіл, ми розглядали їх переміщення з однієї точки простору до іншої. Ти вже вмієш розраховувати відстані, що їх подолало тіло, знаючи його швидкість і час руху, а також будувати графіки швидкості та шляху. Таким описом руху матеріальних тіл займається кінематика. Наступний розділ механіки — динаміка. У ньому ми з’ясуємо причини руху та його зміни. Спробуємо дати відповіді на непрості запитання: «Що приводить тіла в рух і що підтримує цей рух?»

Із чим зазвичай ми пов’язуємо «причину руху»? Ти знаєш відповідь: із силою м’язів, коли, наприклад, допомагаєш другу перенести якийсь важкий предмет або відчиняєш масивні двері. Ці зусилля ми й називаємо силами. Звідси поняття сили, застосовуване у фізиці. Зі збільшенням знань про природу поняття сили вийшло за межі фізичних можливостей людини настільки, що охопило всі причини руху.

Розглянемо три види руху:

  • 1) рух тіл, до яких прикладають зовнішні сили;
  • 2) рух тіл, що падають на земну поверхню без прикладання якої-небудь очевидної зовнішньої сили;
  • 3) неперервний рух усіх космічних об’єктів (планет, зорь, галактик).

Як же пов’язані між собою рух і сила?

Припустимо, ти везеш навантажені санчата. Звичайно, щоб вони безперервно рухалися, ти маєш весь час прикладати до них свою, тобто зовнішню, силу.

Повсякденний життєвий досвід показує, що для того, щоб будь-яке тіло рухалося, до нього необхідно прикладати певні зусилля:

• люди і тварини для пересування використовують м’язи;

• усі транспортні засоби забезпечені двигунами;

• якщо не штовхати візок із вантажем, він зупиняється;

• якщо дме вітер, парасолька може вирватися з рук.

Тому складається враження, що причиною руху тіла завжди є зовнішній вплив. Така точка зору панувала в наукових уявленнях людства протягом півтори тисячі років.

Доводилося навіть вигадувати екзотичні пояснення простих рухів. Так, наприклад, для пояснення польоту стріли, випущеної з лука, було придумано таку хитромудру теорію: стріла рухається в повітрі, а позаду стріли створюється порожнеча. За уявленнями стародавніх філософів, «природа не терпить порожнечі», і тому повітря з великою швидкістю заповнює цю порожнечу і тим самим штовхає стрілу вперед.

Однак подивимося на рух з іншої точки зору, спробуємо більш детально розглянути результати впливу одного тіла на інше. Наприклад, штовхнемо дерев’яний кубик по поверхні дерев’яного столу. Пересунувшись на деяку відстань, кубик зупиниться. Отже, він рухається зі швидкістю, яка зменшується. Замінимо поверхню столу листом гладенького пластика. І знову штовхнемо дерев’яний кубик. У цьому випадку кубик пройде до зупинки набагато більшу відстань. А якщо замінити стіл на каток із гладеньким льодом, то відстань ще збільшиться. Тому розумно вважати, що причиною зміни дальності руху є сила опору з боку поверхні, якою рухається кубик. Якщо якимось чином виключити силу опору поверхні, разом з іншими силами, то рух кубика має тривати нескінченно довго.

Виявляється, у всіх випадках можна знайти причину зміни і дальності, і швидкості руху тіл — це дія інших тіл. Отже, можна стверджувати, що за відсутності зовнішнього впливу тіло рухається з постійною швидкістю нескінченно довго. Це твердження у фізиці має назву закон інерції Ґалілея, встановленого вченим 1632 року. Рух тіл без впливу інших тіл називається рухом за інерцією, а властивість тіл зберігати свою швидкість без впливу інших тіл називається інертністю.

Прояв явища інерції нам постійно трапляється в навколишньому світі. Згадай, як важко повернути на гладкому льоду ковзанки — не вистачає зовнішніх сил, здатних змінити напрямок руху. У цьому випадку доводиться використовувати яку-небудь перешкоду — наприклад, такого ж фігуриста, щоб учепитися за нього, або лавку, щоб відштовхнутися від неї. Коли автобус різко гальмує, пасажирів завжди «кидає» вперед — вони продовжують рухатися завдяки власній інертності. Спробуй уявити собі, що Земля зупиниться в одну секунду. Для жителів екватора ця зупинка буде схожа на різке гальмування транспортного засобу, який рухається зі швидкістю 1674 км/год, або 465 м/с.

Проведемо уявний дослід. Спробуємо зрушити з місця слона й тенісний м’яч, прикладаючи до них однакову силу. Неважко здогадатись, що потрібна невелика сила, щоб змусити тенісний м’яч почати рух або, іншими словами, змінити швидкість. Якщо таку ж силу прикласти до слона, то він її навіть не відчує. Уявіть собі, з якою швидкістю почне рухатись м’яч, якщо до нього прикласти силу, яка змусить пересуватись слона. Уся справа в інертності, яка у слона набагато більша, ніж у м’яча.

Мірою інертності тіла є його маса. Вона визначає, на скільки зміниться швидкість тіла під дією певної сили. Або чим більша сила, що діє на тіло певної маси, тим більшою є зміна швидкості цього тіла під дією сили. Для ознайомлення з явищем інерції пропоную тобі виконати такий дослід.

Дослід «Де покладеш, там і загубиш»

Тобі знадобляться: прозора склянка; пластикова картка або гральна карта; монети 10 і 50 коп.

Постав склянку на стіл. На неї поклади пластикову картку, а на картку — монету. Різко клацни пальцем по картці, вибиваючи її з-під монети.

Спостерігай: картка злітає, а монетка падає в склянку.

Розбір досліду

Справа в тому, що за різкого вибивання пластикової картки з-під монети час взаємодії цих тіл надто малий. Отже, невелика за величиною сила тертя, що діє на монету, не може надати їй помітної швидкості в горизонтальному напрямку. Дослід ґрунтується на законі інерції: монета перебуває в стані спокою, а поштовх такий різкий, що рух пластикової картки не встигає передатися монетці.

Монета практично залишається у стані спокою, але, залишившись без опори, під дією сили тяжіння падає в склянку.

Сила, по-перше, є мірою дії одного тіла на інше і, як наслідок, має чисельне значення з одиницею вимірювання ньютон (Н), напрямок і точку прикладання.

Сила тертя

Немає людини, яка хоча б раз не послизнулася на льоду! Але ж ми можемо втриматись і не впасти. Чому? Тертя надає нам можливість, по-перше, ходити й бігати у взутті й босоніж; по-друге, не боятися, що книжки «з’їдуть» зі стола, а стіл буде ковзати по підлозі; по-третє, поїсти, не даючи ложці вислизнути з пальців. Погодьтесь: тертя — особливі гальма руху!

Спочатку згадаємо тертя спокою. Уяви, що тобі потрібно пересунути диван, але зробити це важко. Що саме заважає зрушити його з місця? Це сила тертя спокою! Вона залежить від ваги тіла і стану поверхонь, що стикаються. Стілець або портфель пересунути легше, а щоб зрушити з місця диван, треба докласти більше зусиль.

Проведемо уявний експеримент. Легенько притиснемо долоню до зошита, який лежить на столі, і почнемо зошит пересувати. Він рухатиметься відносно поверхні стола, але буде нерухомим по відношенню до долоні. За допомогою чого ти змусив зошит рухатись? За допомогою тертя спокою зошита об поверхню долоні.

Так само тертя не дає відокремлюватись застібкам-липучкам на взутті та одязі, перешкоджає цвяхам «вилазити» з дощок тощо.

Сила тертя спокою може бути різною. Вона зростає разом із силою, яка намагається зсунути тіло з місця. Але для будь-яких двох тіл, що стикаються, вона має певне максимальне значення, більше за яке бути не може. Якщо прикласти до зошита силу, яка перевищує максимальну силу тертя спокою, зошит зсунеться з місця й почне рухатись. Тертя спокою при цьому замінюється тертям ковзання.

Спробуй дати відповідь на простеньке запитання: «Чому зупиняються санки, які скотились із гірки?» Гадаю, ти відповіси за мить: через тертя ковзання. І це правильна відповідь! Якщо до цього ти ще додаси, що сила тертя ковзання завжди спрямована в бік, протилежний напрямку руху, можеш похвалити себе за професіоналізм.

Тертя ковзання виникає завдяки шорсткості поверхонь дотичних тіл. Навіть ті поверхні, які виглядають гладенькими, наприклад скляні, насправді мають дуже дрібні нерівності (виступи й западини). Коли одне тіло ковзає поверхнею іншого, ці нерівності деформують і руйнують одна одну й гальмують рух. Коли якась сила притискає тіла одне до одного, нерівності зминаються, загальна площа контакту поверхонь збільшується, а міжмолекулярне притягання значно зростає.

Уявімо тіло, яке не ковзає по поверхні іншого тіла, а котиться по ній, як колесо або куля. У цьому випадку тертя, що виникає в місці контакту цих тіл, називають тертям кочення. Для прикладу розглянемо колесо, що котиться. Воно вдавлюється в поверхню, якою котиться, і, отже, перед ним завжди трапляється нерівність, яку треба подолати. Також відіграє роль міжмолекулярне притягання у місці контакту колеса та поверхні, по якій воно котиться. Цим і зумовлене тертя кочення. При цьому чим твердіша поверхня, тим тертя кочення менше. Цікаво, що ще в далеку давнину люди помітили: у більшості випадків сила тертя кочення значно менша за силу тертя ковзання.

Буде цікаво побачити силу тертя в дії.

Дослід. «Тертя — це сила»

Тобі знадобиться: 0,5 кг рисової крупи; пластикова пляшка ємністю 0,5 л; дерев’яна шпажка довжиною 20 см; воронка.

1. За допомогою воронки наповни крупою пластикову пляшку приблизно на 1/3 і для ущільнення кілька разів акуратно стукни дном пляшки по столу.

2. Так само наповни крупою пляшку ще на 1/3 її об’єму і знову стукни дном об стіл.

3. Заповни пляшку крупою до початку горлечка й ущільни в такий самий спосіб.

Спостерігай: верхня межа рисової крупи опуститься на 1,5-2 см нижче початку горлечка.

4. Увіткни шпажку по центру пляшки у рисову крупу так, щоб над пляшкою залишилось приблизно 3-5 см шпажки.

5. Обережно спробуй підняти пляшку, узявшись за шпажку.

Спостерігай: пляшка, наповнена крупою, легко відривається від поверхні стола.

Розмір досліду

Цей дослід демонструє дію сил тертя ковзання та спокою, які виникають між шпажкою та рисовою крупою.

Під час постукування дном пляшки об стіл змінюється щільність частинок зернової маси — в одиниці об’єму збільшується кількість крупи. Коли шпажка проходить крізь крупу, вона взаємодіє з великою кількістю крупинок, отже, виникає сила тертя ковзання, викликана нерівностями поверхонь зіткнення. Сила тертя ковзання — це сила, спрямована протилежно напрямку руху, тому треба докласти певну силу, щоб заглибити шпажку в рис. Інша картина виникає, коли ми намагаємося витягнути шпажку з пляшки. Сила тертя спокою між крупою та шпажкою досить велика, щоб тримати шпажку в рисі, і пляшка легко відривається від поверхні стола.

Задачі

  • 1. Перед пранням куртки свого сина мати необачно декілька разів її струсила. Результат був несподіваний: з кишень вилетіли телефон, шоколадний батончик, кольорові камінчики і жувальна гумка без цукру. У чому причина такого дивного явища?
  • 2. У 1851 р. відбулось офіційне відкриття залізниці Санкт-Петербург — Москва. За легендою в цей день стався конфуз: догідливий чиновник, бажаючи вислужитись перед імператором, наказав пофарбувати рейки білою масляною фарбою. Яка проблема через це виникла і як вдалося розв’язати її за допомогою піску?
  • 3. Чому шматок крейди залишає слід на дошці в класі?

Цікаві факти

У риб луска вкрита шаром слизу, який виділяється шкірними залозами; слиз зменшує тертя тіла риби об воду.

1500 року видатний італійський художник, скульптор і вчений Леонардо да Вінчі проводив дивні досліди. Він тягав по підлозі мотузку. В одному випадку вона була щільно скручена, у другому — розтягнута на всю довжину. Виявляється, ученого цікавила відповідь на питання: чи залежить сила тертя ковзання від величини площі тіл, що стикаються в русі? У результаті він отримав приголомшливий висновок: сила тертя ковзання не залежить від площі тіл, що стикаються.

Сила пружності

Відповімо на таке запитання: «Що відбувається з тілами, коли їх деформують?» Відповідь проста: коли до тіл прикладають силу, вони розтягуються або стискаються у відповідь на цю силу. Кожне тіло по-різному реагує на зусилля, яке до нього прикладають. Тобі вже відомо, що існує два основних типи деформації: 1) пружна деформація; 2) пластична деформація.

Погодься, було б дивно, якби тебе штовхали, а ти при цьому не чинив опір. Усі тіла чинять опір деформаціям. А роблять це тіла, застосовуючи власну силу. Ця сила у фізиці називається силою пружності. Природно, що сила пружності спрямована проти тієї зовнішньої сили, яка хоче змінити зовнішній вигляд тіл.

Англійський натураліст і винахідник Роберт Гук, вивчаючи властивості пружини, помітив, що залежність сили, яку прикладають до пружини, і деформацію, що виникає в пружині, можна узагальнено визначити таким чином: «Сила пружності, яка виявляється за незначної деформації тіла, пропорційна подовженню тіла». І цю залежність називають законом Гука.

В земних умовах усі тіла в стані спокою трохи деформовані тому, що кожна часточка будь-якого тіла відчуває дію зовнішніх сил. Цеглини в стінах будинків, опори мостів, троси й канати, котрі утримують вантажі, стрижні, нитки, пружини — усі вони за деформації виявляють схожі властивості. Звичайно, у більшості тіл результат зовнішнього впливу спостерігати непросто.

Сили пружності використовують в різних видах спорту: стрільбі з лука, стрибках на батуті, стрибках з жердиною тощо. Автомобілі, залізничні вагони, мотоцикли та інші транспортні засоби мають пружні деталі — ресори. Їх застосування дає змогу зробити рух транспортного засобу більш плавним.

У країнах, де часто бувають землетруси, споруди ставлять на спеціальні пружні елементи. Наприклад, у місті Лос-Анджелес фундаменти будинків високої відповідальності (школи, лікарні, електростанції) спираються на декілька еластичних резинових циліндрів, які діють як автомобільні ресори, перетворюючи різкі поштовхи на легку вібрацію. При цьому споруди залишаються майже нерухомими.

Дослід· «Летюча шпажка!»

Тобі знадобиться: порожній пластиковий контейнер від «Кіндер Сюрприза»; резинка шириною 8 мм; дерев’яна шпажка довжиною 210 мм; ножиці.

1. Спочатку виготов рогатку й набій до неї:

  • 1) у порожньому контейнері від «Кіндер Сюрприза» в обох дінцях у центрі зроби отвори діаметром трохи більшим за діаметр шпажки; відріж резинку довжиною приблизно 19 см; у відкритий контейнер вклади один навпроти одного кінці резинки (приблизно по 1,5 см) і закрий контейнер — вийшла рогатка;
  • 2) обріж шпажку до довжини 15-16 см — це набій.

2. Підготуй мішень.

3. Заряди рогатку: протягни набій через отвори в контейнері.

4. Тримай контейнер однією рукою, а другою зачепи набій резинкою і, розтягнувши її, зроби постріл.

Розбір досліду

Рогатка — метальна зброя. Її використання не потребує зайвих зусиль, окрім фізичної сили стрільця. Щоб розтягнути (деформувати) резинку рогатки, необхідно прикласти певну силу, за значенням рівну силі пружності резинки. Чим сильніше розтягнути (деформувати) резинку, тим далі можна запустити соломинку.

Цікавий факт

Завдяки використанню дії сили пружності та деформації сконструйовано батут. Перший чемпіонат світу з батутного спорту відбувся в Лондоні в 1964 році.

Задача

Ще в XIX столітті в цирку з’явився номер під назвою «Людина-ядро». Для цього на арені цирку встановили величезних розмірів гармату, з якої катапультували людину. «Заряд» пролітав кілька десятків метрів і приземлявся на заздалегідь натягнуту сітку. Глядачі були шоковані цим номером, бо не підозрювали, що постріл був зроблений не за допомогою порохових газів. Як, на твою думку, працювала ця гармата?

Сила тяжіння

Ще одна сила ховається там, де ми навіть не підозрюємо. Гравітація — приголомшлива фундаментальна сила. Гравітація — це природне явище, у якому всі тіла й об’єкти, що мають масу (ми з вами, тіла навколо нас, астероїди, планети, зорі, галактики тощо), тяжіють одне до одного. Чим більша маса тіла, тим більше воно притягує інші тіла.

У фізиці силу гравітаційного тяжіння Землі, котра діє на тіла поблизу її поверхні, називають силою тяжіння. На Землі гравітація надає вагу всім фізичним тілам. Не плутай: сила тяжіння прикладена безпосередньо до тіла з боку Землі, а вага — до опори або підвісу, на якому перебуває тіло.

Не забувай про зв’язок сили тяжіння й ваги тіла: вага тіла в стані спокою, а також під час рівномірного й прямолінійного руху (відносно Землі) за своїм чисельним значенням дорівнює силі тяжіння, яка на нього діє.

Тобі доводилося зістрибувати з невеликої висоти, коли нема за що ухопитися й нема на що обпертися? У фізиці такий стан тіла називається невагомістю. У цьому стані тіла втрачають вагу. Відмітна особливість стану невагомості в тому, що за невагомості сила тяжіння, яка діє на частинки тіла, не викликає взаємних тисків частинок тіла одну на одну.

Дослід. «Пляшка в невагомості»

Спостерігати стан невагомості дуже просто. Візьмемо звичайну пластикову пляшку і зробимо у дні маленький отвір. Якщо налити туди води і не закривати кришку, вона, звісно, буде виливатися. Тепер увага! Щоб зупинити потік води, досить пляшку просто... відпустити, щоб вона вільно падала. Доки вона летить, вода не тече.

Розбір досліду

І пляшка, і вода перебувають у невагомості. Це означає, що під дією сили тяжіння вони будуть просто вільно падати і їхні швидкості в кожний момент часу будуть співпадати.

Задачі

1. Маси квадрокоптера і величезної сріблястої повітряної кулі (метеозонду) однакові й дорівнюють 800 г. Як відрізняються сили тяжіння, що діють на кулю і квадрокоптер? Чому вони дорівнюють?

2. Український спортсмен Сергій Бубка встановив 35 світових рекордів зі стрибків із жердиною. Першим у світі він подолав шестиметровий бар’єр. Яка сила допомогла йому це зробити?

Як змінюється сила тяжіння спортсмена під час стрибка? Чи перестала діяти на нього сила тяжіння, коли він вже приземлився?

Чому дорівнює вага спортсмена у найвищій точці? А під час падіння?

3. Узимку й улітку автомобілісти купують гуму для коліс із різним рельєфним рисунком і з різним складом гуми. Навіщо вони так роблять?

Цікаві факти

• Якщо сила тяжіння відсутня, павуки плетуть кулеподібну павутину. Це підтвердила серія експериментів на борту Міжнародної космічної станції.

• Щоб подолати силу тяжіння Землі, ракета має розігнатися до швидкості 11,2 км/с — це швидкість, за якої космічні апарати залишають навколоземний простір і стають супутниками Сонця.

• За відсутності гравітації свічка горить не жовтим, а синім полум'ям. Вогонь не піднімається догори, а розповсюджується в усі боки одночасно: створюється своєрідна вогняна куля.

• Після повернення з орбіти космонавти вимушені наново звикати до гравітації на Землі. За час, проведений у космосі, вони нерідко встигають забути про те, що предмети мають вагу і падають, якщо їх відпустити.

• Пити газовану воду за відсутності гравітації небезпечно для здоров'я людини: гази розподіляються в організмі хаотично, це може призвести до поганих наслідків.

Український космонавт Леонід Каденюк у спільному українсько-американському проекті проводив фізичні та біологічні дослідження, у тому числі вивчав вплив стану невагомості на людину. Справа в тому, що на Землі серце і судини мають протидіяти гравітації, щоб доставити кров до голови. В невагомості ця задача стає значно легшою. Так це ж добре? Зовсім ні, тому що кров починає приливати до голови. Так само неправильно починають працювати інші системи організму. Космонавти, які кілька місяців провели на орбіті, після повернення на Землю вимушені знов учитися ходити, незважаючи на щоденні тренування на космічній станції.