§ 13. Сили в механіці

Як ви знаєте з курсу 7-го класу, що для вивчення будь-якого природного явища використовують різні фізичні величини. Для того щоб описати якісно і кількісно взаємодію тіл, вводять фізичну величину, яку називають силою.

Сила - це фізична величина, яка є мірою взаємодії тіл і є причиною зміни швидкостей тіл або їхніх частин.

Розглянемо, які сили характеризують цю взаємодію і є причиною зміни швидкостей тіл або їхніх частин, а саме: силу тяжіння, силу всесвітнього тяжіння, силу Архімеда, силу пружності, силу тертя ковзання, силу тертя кочення.

Про силу тяжіння, силу всесвітнього тяжіння, силу Архімеда йтиметься пізніше, тому ми розглянемо сили, про які потрібно знати під час розв’язування задач.

Під час деформації тіл їхні частинки зміщуються одна відносно одної. Унаслідок цього змінюються відстані між атомами чи молекулами, з яких складаються тіла. Це приводить до зміни сил взаємодії між частинками. Якщо відстані між ними збільшуються (наприклад, під час розтягування), то силою міжмолекулярної взаємодії є сила притягання. Якщо відстані між частинками зменшуються (наприклад, під час стискування), то силою міжмолекулярної взаємодії є сила відштовхування. Тобто під час деформації тіла в ньому виникають сили, що прагнуть повернути його в попередній стан. Ці сили і є силами пружності, а властивість називають пружністю. Зміну форми або розмірів тіла називають деформацією.

Сила пружності - це сила, що виникає внаслідок деформації тіла і напрямлена протилежно до напрямку переміщення частинок тіла під час деформації.

Властивості пружних тіл (пружин) детально вивчав понад 300 років тому англійський природодослідник Роберт Гук (1635-1703). Його досліди дали змогу сформулювати закон, який назвали законом Гука:

сила пружності прямо пропорційна деформації (видовженню) тіла (пружини) і напрямлена протилежно до напрямку переміщення частинок тіла під час деформації.

Якщо видовження тіла, тобто зміну його довжини, позначити через х, а силу пружності - через F_пр, то закон Гука можна математично записати так:

F_пр = -kx

де k - коефіцієнт пропорційності - жорсткість тіла. У кожного тіла своє значення жорсткості. Знак «-» означає, що сила пружності напрямлена протилежно до напрямку деформації тіла.

Спостереження 1. Автомобіль після вимкнення двигуна через певний час зупиняється. Шайба, рухаючись по льоду, також згодом зупиниться. Зупиняється і велосипед, якщо припинити крутити педалі.

Що ж є причиною зменшення швидкості руху тіл?

Ви знаєте, що причиною зміни швидкості руху тіл є дія одного тіла на інше. Отже, у випадках, які розглядали, на кожне рухоме тіло діяла сила. Тіла зупинилися, тому що на них діяла сила, яка напрямлена протилежно до напрямку їхнього руху - сила тертя F_т_ep.

Сила тертя виникає під час взаємодії між твердими тілами в місцях їхнього дотику і перешкоджає їхньому відносному переміщенню.

Однією з причин виникнення сили тертя є шорсткість стичних поверхонь тіл. Навіть гладенькі на вигляд поверхні тіл мають нерівності, горбики і подряпини.

Друга причина тертя - взаємне притягання молекул стичних поверхонь тіл. Якщо поверхні тіл дуже добре відполіровано, то їхні молекули розміщуються так близько одна до одної, що помітно починає проявлятися притягання між ними.

Розрізняють кілька видів сил тертя залежно від того, як взаємодіють тертьові тіла: сила тертя спокою, сила тертя ковзання, сила тертя кочення.

Дослід 1. Покладемо брусок на похилу дошку. Брусок перебуває у стані спокою. Що утримує його від зісковзування вниз? Тертя спокою забезпечує зчеплення бруска й дошки.

Дослід 2. Притисніть свою руку до зошита, що лежить на столі, і пересуньте його. Зошит рухатиметься відносно стола, але перебуватиме у спокої відносно вашої долоні. За допомогою чого ви примусили цей зошит рухатися? За допомогою тертя спокою зошита об руку.

Тертя спокою переміщує вантажі, що розміщуються на рухомій стрічці транспортера, запобігає розв’язуванню шнурків, утримує шурупи і цвяхи в дошці тощо.

Якщо тіло ковзає по іншому тілі, то тертя, що виникає при цьому, називають тертям ковзання. Таке тертя виникає під час руху саней або лиж по снігу, підошв по землі.

Якщо одне тіло котиться по іншому, то говорять про тертя кочення. Під час кочення коліс вагона, автомобіля, воза, під час перекочування бочок по землі проявляється тертя.

А від чого залежить сила тертя?

Дослід 3. Прикріпимо до бруска динамометр і будемо тягнути його, надаючи бруску рівномірного руху (мал. 31). При цьому динамометр буде показувати силу, з якою ми тягнемо брусок, а отже, і силу тертя, яка виникає під час руху бруска по поверхні стола. Покладемо на брусок тягарці й повторимо дослід. Динамометр зафіксує більшу силу тертя.

Мал. 31. Виникнення сили тертя ковзання

Що більша сила притискає тіло до поверхні, то більша сила тертя виникає при цьому.

Виконаємо попередній дослід, але тіло будемо рухати по поверхні скла, по бетону. З’ясуємо, що сила тертя залежить від якості поверхні, по якій рухається тіло.

Сила тертя залежить від матеріалу і якості обробки поверхні, по якій рухається тіло.

Силу тертя ковзання визначають за формулою:

F_тер = μN,

де F_тер - сила тертя ковзання; N - сила реакції опори, що за значенням дорівнює силі тиску тіла на поверхню ковзання; μ - коефіцієнт тертя ковзання. Якщо поверхня ковзання горизонтальна, то сила тиску на неї дорівнює вазі тіла, тобто N = Р = gm, a F_т_ep = μgm, де g = 9,81 Н/кг, m - маса тіла.

Дослід 4. Покладемо дерев’яний брусок на круглі олівці (мал. 32). Потягнемо брусок динамометром, олівці за рахунок тертя між ними і бруском з дошкою почнуть обертатися, а брусок - рухатися. Сила тертя кочення буде меншою за силу тертя ковзання.

Мал. 32. Виникнення сили тертя кочення

При однакових навантаженнях сила тертя кочення завжди менша за силу тертя ковзання.

Спостереження 2. Коли ви намагаєтеся бігти у воді басейну, річки або озера, то відчуваєте великий опір з боку води і не можете швидко бігти.

Переносячи легкі великі предмети у вітряну погоду, ви відчуваєте значний опір з боку вітру, вам дуже важко йти.

Коли в безвітряну погоду ви стоїте біля дороги і повз вас проїжджає великий вантажний автомобіль на великій швидкості, то ви обов’язково відчуєте вітер, що супроводжує рух автомобіля. Що більша швидкість автомобіля, то більша сила цього вітру.

Сили тертя, які виникають під час руху тіл у рідині або газі, називають силами опору середовища.

Сила опору залежить від форми тіла. Ракетам, літакам, підводним човнам, кораблям і автомобілям надають обтічної форми, тобто форми, за якої сила опору найменша.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

• У давні часи пружні властивості деяких матеріалів (зокрема, такого дерева, як тис) дали змогу нашим пращурам винайти лук - ручну зброю, призначену для метання стріл за допомогою сили пружності натягнутої тятиви.

• Винайдений приблизно 12 тис. років тому лук упродовж багатьох століть був основною зброєю майже всіх племен і народів світу. До винайдення вогнепальної зброї лук був найефективнішим бойовим знаряддям. Англійські лучники могли пускати до 14 стріл щохвилини, що під час масового використання луків у бою створювало цілу хмару стріл. Наприклад, кількість стріл, випущених у битві при Азенкурі (під час Столітньої війни), налічувала близько 6 мільйонів!

Широке застосування цієї грізної зброї в середні віки викликало обґрунтований протест з боку певних кіл суспільства. Однак боротьба за «лучне роззброєння» не мала успіху, і лук як бойову зброю продовжували використовувати ще протягом 500 років.

• У наш час стрільба з лука є лише одним із видів спорту, який включено в програму Олімпійських ігор.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО