Фізика. 7 клас. Шут

§ 19. Взаємодія тіл. Сила

1. Як проявляється взаємодія тіл? Поняття сили. Усяка дія одного тіла на інше— це взаємодія тіл. Взаємодія тіл проявляється по-різному.

Ви вже знаєте, що взаємодія тіла з іншими тілами приводить до зміни швидкості тіла. Розглянемо кілька прикладів взаємодії тіл.

Внаслідок взаємодії може бути спричинений рух тіл або змінений стан руху: одні тіла його сповільнюють, а інші — прискорюють. Взаємодія призводить також до зміни лінійних розмірів і форми тіл (наприклад, удар, стиснення або розтяг).

Одним із найбільш загальних проявів взаємодій є явище притягання до Землі тіл, які знаходяться на її поверхні або поблизу неї, тобто явище тяжіння.

Рис. 103. Взаємодія людини у човні з водою

Працюючи веслами, людина у човні взаємодіє з водою, відкидаючи її назад (рис. 103). При цьому швидкість човна змінюється і човен рухається вперед.

Гвинти гелікоптера відкидають повітря вниз, внаслідок чого гелікоптер з вантажем піднімається вгору (рис. 104).

Стальна кулька, рухаючись рівномірно і прямолінійно повз магніт (рис. 105), взаємодіє з ним і, як наслідок, змінює напрям і швидкість свого руху.

Внаслідок взаємодії з м’ячем руки або ракетки змінюється напрям руху м’яча (рис. 106).

У всіх розглянутих прикладах тіла (човен, гелікоптер, кулька, м'яч) змінюють свою швидкість внаслідок взаємодії з іншими тілами.

Рис. 104. Взаємодія гвинтів гелікоптера з повітрям

Рис. 105. Взаємодія рухомої стальної кульки з магнітом

В одних випадках взаємодія є слабкішою, в інших — сильнішою. Зокрема, швидкість човна залежить від того, наскільки інтенсивно людина працює веслами. А відстань, на яку відлітає тенісний м’яч внаслідок взаємодії з ракеткою, залежить від того, наскільки сильно по ньому вдарили. Вам також досить часто доводиться виконувати дії, що пов’язані з певними зусиллями: щось підняти, зсунути або зупинити. З досвіду ви знаєте, що під час взаємодій зусилля можна прикласти більші або менші.

Тому у фізиці для кількісної характеристики взаємодії тіл вводиться поняття сили.

2. Сила як фізична величина. З поняттям сили ви знайомі давно. У мовленні слова, які походять від слова «сила», вживаються постійно: сильна людина, сильний вітер, сильний біль, сильне почуття. Але у чому полягає фізичне поняття «сила»? Для того, щоб визначити силу як фізичну величину, необхідно з’ясувати, яку властивість тіл або яке явище це поняття характеризує.

Силою називається фізична величина, яка є кількісною мірою взаємодії тіл.

Сила характеризується величиною, напрямом і точкою прикладання. На рисунках її зображають стрілкою у певному масштабі, початок якої вміщують у точці прикладання сили. Напрям стрілки повинен співпадати із напрямом дії сили; довжина стрілки відповідає величині сили з урахуванням масштабу (рис. 107). Отже, сила — векторна величина (як і переміщення та швидкість).

Рис. 106. Момент удару тенісної ракетки по м’ячу

Сила — кількісна міра впливу на тіло з боку інших тіл.

Сили можуть діяти безпосередньо при дотику або на відстані

Рис. 107. Графічне зображення сили, що діє на тіло

Одиницею вимірювання сили в СІ є 1 ньютон (скорочено 1 Н).

Сили завжди виникають попарно: одна сила прикладена з боку першого тіла до другого, а друга — з боку другого тіла до першого

Зверніть увагу: сила є мірою дії одного тіла на інше. Але ж у взаємодії беруть участь щонайменше два тіла. Тому, коли характеризують взаємодію двох тіл, то розрізняють і дві сили. Про те, що такі сили виникають завжди попарно, свідчить дослід: якщо перепалити нитку, яка утримує стиснену пластинку, то внаслідок взаємодії кожний з візків одночасно зазнає дії сили з боку іншого і, відповідно, набуває руху (рис. 85).

Із історії фізики: вчені і факти

Ісаак Ньютон (1643-1727) — видатний англійський фізик, математик і астроном. Сформулював основні поняття і закони механіки і застосував їх до руху тіл. Ньютон відкрив також закон всесвітнього тяжіння і розробив теорію руху планет, їх супутників і комет. Ґрунтовні праці написані Ньютоном з оптики та математики. Важливо, що таланти цієї людини виявлялися не лише в науці. Він, зокрема, був директором Монетного двору в Лондоні і провів велику роботу по чеканці монет, що дозволило привести у порядок монетну справу Англії, яка на той час перебувала у занепаді.

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Типи фундаментальних взаємодій і сили, які дозволяють їх оцінити

В оточуючому світі можна спостерігати величезну кількість різноманітних видів взаємодій між тілами, починаючи із взаємодій космічних тіл і закінчуючи взаємодіями частинок у молекулах, атомах і ядрах атомів.

Виявляється, що все розмаїття взаємодій між тілами і частинками можна звести до чотирьох типів фундаментальних взаємодій (від латинського слова fundamentum — основа, опора) Фундаментальними їх називають тому, що вони є основними, через які можна пояснити всі інші взаємодії. Це такі чотири типи взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка. Вказані взаємодії відрізняються одна від одної за своєю природою.

Сила як кількісна характеристика дозволяє оцінити лише гравітаційну і електромагнітну взаємодії, оскільки сильна і слабка взаємодії відбуваються у мікросвіті на таких малих відстанях, що поняття точки прикладання і напряму дії сили, а, отже, і поняття самої сили втрачають зміст.

Гравітаційна взаємодія виникає між усіма тілами без виключення, але найкраще виявляється у світі космічних тіл — тіл величезних мас на величезних відстанях. Якщо ж гравітаційна взаємодія відбувається між тілами з малими масами, то гравітаційні сили є настільки незначними, що ними можна нехтувати. Притягання тіл до Землі і їх падіння — це прояв дії гравітаційних сил.

Електромагнітна взаємодія проявляється між електрично зарядженими тілами або частинками. Електромагнітні сили зумовлюють взаємодію атомів і молекул в речовинах. До електромагнітних сил належать сили пружності та сили тертя.

Сильна взаємодія відбувається між частинками, з яких складаються ядра атомів. Сфера їх дії обмежена. Вони проявляються лише в ядрах атомів на дуже малих відстанях (порядку 10^-15 м). На відстанях, більших за розміри атома (10^-10 м), сильна взаємодія не виявляється.

Слабка взаємодія виявляється у ще менших масштабах: вона характеризує взаємодію елементарних частинок (такими частинками є, зокрема, електрони, протони, нейтрони).

Подумайте і дайте відповідь

• 1. Наведіть приклади, які свідчать про те, що зміна швидкості тіла відбувається внаслідок дії на нього іншого тіла.
• 3. Що таке сила? Від чого залежить результат дії сили? Яке позначення сили?
• 4. Як графічно зображують сили?
• 6. Яка одиниця вимірювання сили в СІ? Дайте визначення одиниці сили.
• 7. Яка величина сили, зображеної на рис. 107?
• 8*. Які типи фундаментальних взаємодій ви знаєте?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 19.

• 1. Сила величиною 10 Н спричинює рух тіла у північному напрямі. Оберіть зручний на вашу думку масштаб і зобразіть цю силу графічно.
• 2. Сила, з якою нерухома кулька нитяного маятника діє на кінець нитки, дорівнює 5 Н. Оберіть масштаб і зобразіть цю силу графічно. Зобразіть (на окремому рисунку) силу, з якою нитка діє на кульку.

Це треба знати

Як навчитися розв’язувати задачі з фізики

Ви вже набули певного досвіду розв’язування фізичних задач і будете розв’язувати їх протягом усього подальшого вивчення фізики.

Запам’ятайте! Не можна навчитись розв’язувати задачі, лише спостерігаючи за тим, як це роблять інші. Над задачами треба працювати самостійно (адже справедливо кажуть: щоб навчитись плавати, треба йти у воду і плавати!)

У процесі розв’язування задач вам будуть корисними такі поради:

• 1. Уважно прочитайте умову задачі; з’ясуйте, яке фізичне явище покладено в її основу, що потрібно знайти, які величини дані, а які можна взяти з таблиць.
• 2. Обдумуючи зміст задачі, зробіть необхідний схематичний малюнок.
• 3. Запишіть скорочено умову задачі. Переведіть числові значення величин, заданих в умові задачі, до однієї системи одиниць (найчастіше СІ).
• 4. Встановіть зв’язки шуканої величини з відомими (через відповідні закономірності та формули).
• 5. Запишіть формули, якими ви будете користуватись, складіть рівняння, розв’яжіть його відносно шуканої величини. Щоб перевірити правильність кінцевої розрахункової формули, виконайте дії над позначеннями одиниць величин, що входять у праву частину цієї формули. Ви маєте отримати позначення одиниці шуканої величини.
• 6. Виконайте обчислення. Пам’ятайте правила дій над наближеними числами: точність кінцевого результату не може перевищувати точності вихідних даних.
• 7. Запишіть шукану величину в одиницях, у яких вона обчислена. Оцініть одержаний результат: він достовірний чи ні?
• 8. Подумайте, яким іншим способом можна розв’язати цю задачу. Оцініть, який варіант розв’язання задачі є найбільш раціональним.