Фізика. 7 клас. Шут

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

Частина III. Взаємодія тіл. Сила

Розділ 4. Інерція і взаємодія тіл. Маса і сила

  • Чи може тіло почати рух за відсутності дій з боку інших тіл?
  • Як довго рухатиметься тіло, якщо усунути причини, що протидіють рухові?
  • Як Галілео Галілей спростував усталені погляди на рух?
  • Чому подушка безпеки переднього пасажира в автомобілі знаходиться на приладній панелі?
  • Чому барабан пральної машини після її вимкнення не зупиняється миттєво?
  • У чому полягають особливості такої характеристики тіла, як маса?
  • Як виміряти масу тіл, для яких не можна використати терези?
  • Що у фізиці розуміють під словом «сила»?

§ 15. Явище інерції. Інертність тіла. Маса тіла

1. Інерція. Із повсякденного досвіду ви знаєте, що швидкість тіла може змінюватися лише при дії на нього іншого тіла (або тіл). Рухомі тіла можна зупинити, а нерухомі — привести в рух. Наприклад, м'яч, що лежить на землі, зберігатиме свій нерухомий стан (стан спокою) доти, доки по ньому не вдарять (рис. 78). При цьому спочатку в рух приходить нога, а вже потім починає рухатись м’яч. Тобто рух м’яча починається внаслідок руху ноги, при цьому рух ноги не зникає безслідно — він переходить у рух м’яча.

Очевидно, що зміна швидкості м’яча безпосередньо у процесі його руху також відбувається не сама собою, а спричиняється дією інших тіл. Так, якщо по рухомому м’ячу знову вдарити, то швидкість його руху збільшиться. Якщо ж дії на м’яч припиняться, то він буде котитися і в кінці кінців зупиниться внаслідок тертя об землю та повітря.

У багатьох випадках зміна швидкості тіл у процесі руху відбувається внаслідок притягання Землі. Тіло, яке знаходиться над її поверхнею та ні на чому не тримається, впаде на Землю, при цьому швидкість цього тіла буде зростати по мірі наближення до неї. У будь-якому випадку причиною зміни стану спокою або руху тіла є дія на нього іншого тіла (або тіл).

Виникає запитання: а що відбувалося б з рухомим тіло, якби воно не зазнавало дії інших тіл? З’ясуємо це на досліді, в якому вивчають вплив тертя на рух кульки, що скочується вздовж похилого жолоба. На рис. 79 показано зовнішній вигляд відповідного приладу, який використовується у фізичних лабораторіях для вивчення механічного руху.

Рис. 78. М’яч змінює стан спокою або руху лише внаслідок дії на нього іншого тіла (інших тіл)

Причини зміни руху тіл — це дії інших тіл. Розділ механіки, у якому вивчається вплив взаємодій між тілами на їх рух, називається динамікою.

Динаміка — від грецького слова dunamis — сила.

Рис. 79. Дослідна установка, за допомогою якої вивчають скочування кульки вздовж жолоба

Виконаємо подібні дослідження і ми (рис. 80). Прилаштуємо впритул до горизонтально розміщеної кришки стола похилий жолоб. Будемо скочувати сталеву кульку цим жолобом з однієї і тієї самої висоти у кожному досліді, щоб до моменту викочування кульки на стіл вона набувала однакової швидкості.

Спочатку покриємо кришку стола шаром піску, а потім надамо кульці можливість скочуватися (рис. 80, а). Пройшовши невеликий шлях вздовж поверхні стола, кулька зупиниться. Причина очевидна: тертя кульки об пісок чинить опір рухові. Повторимо дослід, але тепер кришку стола вкриємо цупкою, добре натягнутою тканиною. Пустивши кульку, помітимо, що вона пройшла більший шлях, оскільки опір рухові зменшився (рис. 80, б). Якщо впритул до жолоба покласти лист полірованого скла і повторити дослід, кулька пройде ще більший відрізок шляху, тому що опір рухові кульки у даному випадку — найменший (рис. 80, в).

Рис. 80. Схематичне зображення досліду, в якому вивчають вплив тертя на рух кульки

Інерція — від латинського слова inertia — бездіяльність, косність

Закон інерцїі виявився першим кроком у встановленні законів механіки і є одним з основних законів природи

Ці досліди підтверджують, що причиною зменшення швидкості кульки та її зупинки є тертя. І чим воно менше, тим більший шлях проходить кулька. Тоді, якщо уявити, що тертя незначне і ним можна знехтувати, кулька рухатиметься прямолінійно і рівномірно як завгодно довго (поки на неї не подіють інші тіла та не змінять її швидкість). Таку закономірність вперше встановив Г. Галілей. У 1638 р. він зробив висновок: рух будь-якого тіла у природі триває доти, доки інше тіло не змінить його.

Так було встановлено, що всі тіла в природі зберігають стан спокою або рівномірного прямолінійного руху за відсутності дії на них інших тіл. Сформульований висновок називається законом інерції.

Отже, інерція — це явище збереження тілами свого руху за умови відсутності дії на них інших тіл.

Рух тіла, на яке не діють інші тіла, називається рухом за інерцією.

2. Прояви явища інерції. Прояви явища інерції повсюдні. Воно має місце, коли ми рубаємо дрова, струшуємо краплі дощу з плащу або парасолі, збиваємо покази медичного термометра. Дуже часто ми відчуваємо його на собі. Кожний з вас, мабуть, помічав, що, коли ми спотикаємося, то найчастіше за все нахиляємося уперед (рис. 81, а). Це відбувається тому, що у цей момент наші ноги різко зупиняються, а верхня частина тулубу внаслідок явища інерції продовжує рухатися в попередньому напрямі. З тієї ж причини уперед падає велосипедист, якщо велосипед наїжджає на перешкоду (рис. 81,6). Якщо ж автобус різко рушає із зупинки, то його пасажири, навпаки, нахиляються назад. Після падіння на льоду, ви протягом певного часу ковзатимете по ньому — це теж рух за інерцією. Цікаво, що прояви явища інерції можна побачити й у тваринному світі: зокрема, завдяки інерції, тварини струшують з шерсті краплини води або сніжинки (рис. 81, в).

Рис. 81. Прояви явища інерції

3. Інертність тіла і маса. Спостереження за рухом тіл після їх взаємодії свідчать, що кожне з них поводить себе по-різному: одне тіло набуває більшої швидкості (тобто скоріше змінює свою швидкість), інше — меншої (тобто зберігає свою швидкість довше). Наприклад, якщо під час катання на ковзанах ви зіштовхнетесь з дорослою людиною, то відкотитесь значно далі ніж вона, тобто отримаєте більшу швидкість. Це означає, що у різних тіл інертність — різна. Очевидно, що інертність тіла, яке після взаємодії з іншим тілом набуває меншої швидкості, є більшою за інертність іншого тіла. І навпаки: інертність тіла, що після взаємодії набуває більшої швидкості — менша. У наведеному прикладі інертність дорослої людини є більшою.

Властивість тіл зберігати свою швидкість у відсутність дії на них інших тіл називають інертністю. Інертні всі тіла. Існування у природі тіл, які не є інертними, не встановлено.

Отже, ми встановили, що більш масивні тіла більш інертні. Відповідно, менші тіла є менш інертними. Можна зробити висновок: інертність тіл може бути охарактеризована за допомогою маси — фізичної величини, яка вам вже відома з курсів математики і природознавства та з повсякденного досвіду (її позначають літерою m).

Оскільки інертність мають всі тіла в природі, то це означає, що така «всезагальна властивість» є проявом певного фізичного явища — інерцїі.

Маса тіла — це фізична величин, яка є мірою його інертності.

Внаслідок того, що тіла мають властивість інертності, змінити їх швидкість у разі руху миттєво неможливо; ця зміна відбувається поступово, з часом. Наприклад: поступово збільшується швидкість м’яча внаслідок удару по ньому; поступово змінюється швидкість потягів і автомобілів, коли вони рушають із місця або зупиняються; поступово набирає швидкості спортсмен на старті забігу та поступово зупиняється після фінішу (рис. 82, а). І так відбувається з кожним тілом: скрізь і завжди!

Інертність може бути досить шкідливою. Зокрема, забороняється різко піднімати вантаж за допомогою підйомного крану внаслідок інертності вантажу (рис. 82, б). Неможливо також швидко зупинити рухомі деталі станка, якщо раптом виникла аварійна ситуація. Знаючи про властивість інертності, людина повинна бути дуже обережною!

Важливо, що маса характеризує не лише інертні властивості тіла, але й ще одну важливу властивість тіла — його здатність взаємодіяти з іншими тілами, зокрема, із Землею. Це можна підтвердити на такому прикладі: якщо на батут стануть дитина і доросла людина, то доросла людина розтягне його сильніше (рис. 83). А чому взагалі батут розтягується? Тому що, як ви вже знаєте, всі тіла притягуються до Землі. Це означає, що доросла людина, яка має більшу масу, притягується до землі сильніше. Отже, маса характеризує властивість тіл притягуватися до Землі (та інших тіл).

Маса тіла характеризує його інертні властивості

Рис. 82. Внаслідок інертності неможливо миттєво змінити швидкість тіла

Рис. 83. Маса характеризує властивість тіла притягуватися до Землі

Маса тіла — це й міра його властивості притягуватися до Землі та інших тіл.

Висловіть свою думку

Чому не можна переходити проїжджу частину перед транспортними засобами, що швидко рухаються?

4. Яким чином можна оцінити інертність тіла та виміряти його масу? Оцінювання інертності тіла — це важливе завдання, оскільки її слід враховувати на транспорті, на виробництві, у побуті.

Звернемося до дослідів із візками, що можуть взаємодіяти. Нехай на платформі знаходиться візок із прикріпленою до нього з одного боку пружною пластинкою; пластинка зігнута і в такому стані закріплена ниткою. Візок перебуває у стані спокою відносно стола (рис. 84, а). Чи почне він рухатися, якщо перепалити нитку? (рис. 84, б). Виявляється, що ні, оскільки відсутня його взаємодія з іншим тілом (візком).

Повторимо дослід: знову зігнемо пластинку, зв'яжемо її ниткою і з іншого боку пластинки поставимо ще один такий самий візок (рис. 85, а).

Якщо знову перепалити нитку, то можна впевнитися в тому, що в результаті взаємодії візки набувають однакової швидкості. Як видно з рис. 85, б, вони проходять однакові відстані від початкового положення. Це означає, що інертність одного візка та інертність іншого візка є однаковими. Але ж мірою інертності візків є їх маса! Тому можна зробити висновок, що й маси цих візків теж дорівнюють одна одній: m1 = m2, де m1 — маса одного візка, m2 — маса іншого візка.

Рис. 84. Візок не взаємодіє з іншими тілами, а тому не набуває швидкості і не рухається

Рис. 85. В результаті взаємодії візки з однаковими масами набувають однакової швидкості і проходять однакові відстані

Продовжимо досліди. Приєднаємо до одного із візків ще один візок і приведемо їх у взаємодію (рис. 86, а). Очевидно, що у цьому випадку один візок взаємодіятиме з двома іншими візками як єдиним тілом. Можна впевнитися, що внаслідок взаємодії один візок проходить вдвічі більшу відстань, ніж два інші, разом взяті (це видно з рис. 86, б). Отже, внаслідок взаємодії тіло, яке має вдвічі більшу масу, проходить вдвічі меншу відстань, тобто набуває вдвічі меншої швидкості.

Рис. 86. В результаті взаємодії візки з різними масами набувають різних швидкостей і проходять різні відстані

Маси тіл обернено пропорційні до швидкостей, яких вони набувають під час взаємодії

Досліди з візками показують, що, порівнюючи швидкості тіл, яких вони набувають після взаємодії (до якої перебували у стані спокою), можна визначити, у скільки разів маса одного тіла більша від маси іншого. У такий спосіб можна не лише оцінити інертність тіла, але й виміряти його масу. Для цього тіло треба привести у взаємодію з іншим тілом, маса якого відома або може бути взята за еталон.

Висловіть свою думку

Катаючись на роликових ковзанах дві дівчинки посперечалися, хто з них має більшу масу. Як вони можуть це перевірити, маючи тільки рулетку?

5. Одиниця маси. Одиниця маси була встановлена у 1889 р. на III Генеральній конференції з мір та ваги. За одиницю маси прийнято 1 кілограм (скорочено 1 кг). Це маса тіла, міжнародний зразок (еталон) якого зберігається у Франції, в м. Севрі, що поблизу Парижа (рис. 87). Еталон кілограма відлитий у вигляді циліндричної гирі діаметром і висотою 39 мм із сплаву двох металів: платини (90 %) та іридію (10 %). Для зберігання еталону створені спеціальні умови; з нього знято точні копії, які знаходяться в різних країнах.

В Міжнародній системі одиниць (СІ) 1 кг — це основна одиниця маси. Користуються також кратними й дольними одиницями маси. Наприклад,

1 т (тонна) = 1000 кг;

1 кг = 1000 г;

1 г = 0,001 кг;

1 мг = 0,000 001 кг та інші.

Рис. 87. Міжнародний зразок (еталон) кілограма

5. Маса — особлива фізична величина. З’ясуємо, у чому ж полягають особливості маси? Візьмемо дві посудини з водою, маса якої у кожній з них дорівнює 1 кг, і зіллємо цю воду в одну посудину. Експериментальна перевірка покаже, що маса води в останній дорівнюватиме 2 кг. Цей дослід дозволяє встановити важливий факт: маса тіла дорівнює сумі мас окремих його частин. При поділі тіла на окремі частини сума їх мас також дорівнює масі тіла, з якого ці частини утворилися.

Сума мас окремих частин тіла за їх сполучення та поділу — зберігається.

З цього факту випливає один із основних законів природи — закон збереження маси. Закон збереження маси є одним із найзагальніших і найважливіших законів природи. Цей закон справджується у всіх фізичних, хімічних і біологічних явищах. Тому його враховують в усіх природничих науках, а також у техніці та на виробництві.

Вивчаючи фізику, ви дізнаєтеся про багато інших особливостей маси як фізичної величини.

Розширте науковий кругозір

Спорт теж тісно пов’язаний із фізикою! Зокрема, явище інерції враховується у багатьох видах спорту. Найбільш наочно рух за інерцією виявляється у такому олімпійському виді спорту, як керлінг. Перемога у керлінгу залежить від руху за інерцією важкої гранітної шайби. Саме тому лід на шляху цієї шайби ретельно зачищується за допомогою спеціальних щіток (рис. 88, а). Рух за інерцією здійснює куля й у такій спортивній грі, як боулінг (рис. 88, б).

Рис. 88. Явище інерції у спорті

Історія фізики: вчені і факти

Рис. 89. Галілео Галілей виступає у Римі перед членами Академії

Галілео Галілей — великий італійський фізик, механік, астроном, художник і літературний діяч. Як ви вже знаєте, ім’я Галілея пов’язане, насамперед, з першими спостереженнями за допомогою телескопа. Але особливе значення для фізики мали роботи Галілея з механіки. Він вперше висунув ідею про відносність руху, строго сформулював поняття швидкості, дослідив коливання маятника, встановив закон інерції і застосував його до розв’язання практичних задач. Цей закон був для свого часу революційним, оскільки тоді панувала ідея Аристотеля, згідно якої тіло може рухатися лише за умови дії на нього інших тіл.

Але Галілей вихідним пунктом пізнання вважав спостереження і непорушним істинам біблейського писання протиставляв експериментальні факти, одержані шляхом дослідження законів природи. Церква не підтримувала погляди Галілея і переслідувала його, але він сміливо їх відстоював і продовжував свої дослідження. Світ був для Галілея відкритою книгою! Його вплив на подальший розвиток механіки, оптики і астрономії виявився величезним і виключно плідним. Про Галілея кажуть: «Він умів ламати старе і створювати нове».

Домашнє експериментальне завдання

Підготуйте пластмасову лінійку та невелику кульку (можна скористатися кулькою для настільного тенісу або намистиною). Покладіть лінійку на гладку поверхню стола і встановіть на одному з її кінців кульку так, щоб вона перебувала у стані спокою, але не була закріпленою. Виконайте такі дії:

  • 1. Повільно і плавно підштовхуючи лінійку з кінця, протилежного до того, на якому знаходиться кулька, надайте їй по можливості прямолінійного рівномірного руху. Спостерігайте за станом кульки і зафіксуйте одержаний результат.
  • 2. Різко підштовхніть лінійку з кінця, протилежного до того, на якому знаходиться кулька. Спостерігайте за станом кульки і зафіксуйте одержаний результат.

Виконаний експеримент опишіть у робочому зошиту. Зробіть рисунки експерименту. Обґрунтуйте одержані результати.

Подумайте і дайте відповідь

  • 1. Що може відбуватися з рухомим тілом, яке не зазнає дії інших тіл? Для пояснення використайте описаний у параграфі дослід із жолобом і кулькою.
  • 2. За яких умов тіло може перебувати у стані спокою або рівномірного прямолінійного руху? Наведіть приклади.
  • 3. Яке явище називається інерцією? У чому виявляється така властивість тіл, як інертність? Назвіть приклади з практики людини, коли вона у своїх діях враховує інерцію.
  • 4. Що є мірою інертності тіла? Назвіть цю величину і дайте їй означення.
  • 5. Які властивості тіл характеризує маса?
  • 6. В яких одиницях вимірюють масу? Що ви знаєте про еталон одиниці маси?
  • 7. Як оцінюють інертність тіла і вимірюють його масу? Відповідь поясніть.

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 15.

  • 1. Обгрунтуйте, що дія одного тіла на інше не є односторонньою.
  • 2. Два тіла мають різні маси. Чи можна стверджувати, що інерція тіла з більшою масою — більша. Відповідь обґрунтуйте.
  • 3. На рис. 90 показано два способи насадження лопати на держак (ручку). Опишіть ці способи.

Рис. 90. Два способи насадження лопати на держак

  • 4. Поясніть, чому автомобіль з несправними гальмами не можна буксирувати за допомогою гнучкого троса?
  • 5. Виконайте рисунок і за його допомогою поясніть, чому на поворотах необхідно зменшувати швидкість автомобіля, мотоцикла, велосипеда?