Фізика. 7 клас. Засєкіна

Розділ 3. Взаємодія тіл. Сила

• У попередньому розділі ви розглядали рух тіла, не ставлячи питання, а чому ж тіло почало рухатись, чому воно зупинилось.

• Знання і повсякденний досвід показують, що зміна швидкості руху тіла (за значенням і напрямом) не відбувається довільно. Щоб тіло змінило свою швидкість, повинна існувати певна причина: дія одного тіла на інше — взаємодія тіл.

• Вивчаючи розділ «Взаємодія тіл. Сила», ви зможете дати відповідь на запитання: чому тіла змінюють швидкість свого руху, чому всі тіла падають на землю, що означають — вага тіла і стан невагомості, що таке деформації і тертя.

• Ви зможете пояснювати сутність взаємодії тіл, явище інерції. З’ясуєте, що таке маса тіла, густина речовини. Дослідите природу сил, які виявляють себе в механічних явищах, особливості руху тіл під дією цих сил. Навчитеся розв’язувати задачі на визначення густини речовини, ваги тіла та сили тяжіння. Навчитеся вимірювати масу тіла, практично перевірите пружну взаємодію, застосовуючи закон Гука.

• § 14. Явище інерції та інертність тіл
• § 15. Густина речовини
• § 16. Сила
• § 17. Сила тяжіння
• § 18. Рівнодійна сил
• § 19. Сили пружності
• § 20. Вага тіла. Невагомість
• § 21. Сили тертя

§ 14. Явище інерції та інертність тіл

Ви дізнаєтесь

• Що таке інерція
• Що таке інертність тіла
• Що таке маса тіла

Пригадайте

• Що ви спостерігаєте під час різкого гальмування автобуса

ЧИ Є ПРИЧИНИ РУХУ ТІЛА? Питання, що є причиною руху тіл, цікавило людей ще з давніх часів. Давньогрецький учений Аристотель переконував, що причиною руху є дія одного тіла на інше, тобто рух без сторонньої дії неможливий. Як аргумент він наводив приклад про коня і воза. Допоки кінь тягне воза, він рухається. Якщо кінь зупиниться — віз також не рухатиметься. Авторитет Аристотеля був настільки великим, що його твердження ніхто не насмілився заперечувати протягом двох тисячоліть!

Лише в XVII ст. італійський учений-дослідник Галілео Галілей спробував спростувати це твердження. Досліджуючи рух кульки по похилому жолобу, він помітив, що її швидкість збільшується, коли куля котиться по похилому жолобу вниз, а коли куля котиться нагору — її швидкість зменшується. Галілей припустив, що, коли куля котитиметься по горизонтальній площині за повної відсутності тертя та будь-якого опору, її швидкість залишатиметься постійною і для підтримання руху не потрібно жодної причини!

Галілей був перший серед учених, хто почав перевіряти свої припущення на досліді. Він скочував кулі з похилого жолобу і спостерігав за їхнім подальшим рухом по горизонтальній поверхні (мал. 86).

Мал. 86. Ілюстрація досліду Галілея

По посипаній піском поверхні куля котиться зовсім небагато (мал. 86, а), по тканині прокотиться набагато довше (мал. 86, б), а по гладкому склу котитиметься дуже довго (мал. 86, в). Але зрештою вона зупиниться. На підставі своїх дослідів Галілео з’ясував, що причиною зменшення швидкості кулі є зовнішня дія — тертя об поверхню. Під час руху по тканині тертя менше, ніж по піску, а під час руху по склу — ще менше. А якби тертя зовсім не було — куля котилась б нескінченно довго.

ІНЕРЦІЯ. Чим меншою є дія інших тіл на рухоме тіло, тим довше не змінюється швидкість його руху і тим більше його рух подібний до рівномірного. Отримані Галілео Галілеєм висновки згодом були сформульовані Ісааком Ньютоном у вигляді закону, який згодом назвали законом інерції.

Якщо на тіло не діють інші тіла, (або дія тіл скомпенсована), то воно перебуває у стані спокою або прямолінійного рівномірного руху.

Щодо спокою, то цей закон підтверджується практично на кожному кроці: відносний спокій тіл можна порушити лише під впливом інших тіл. Зробити правильний висновок про те, що тіло зберігає також і стан прямолінійного рівномірного руху, людям заважало те, що в земних умовах механічний рух неодмінно супроводжується тертям, опором води або повітря тощо, які поступово зменшують швидкість тіла.

Рух тіла за відсутності дії на нього інших тіл ще називають рухом за інерцією (від лат. inertia — бездіяльність).

Інерція — це явище збереження тілом швидкості за відсутності зовнішніх дій на нього з боку інших тіл.

Суть явища інерції, коли тіло зберігає свою швидкість і рухається «саме собою» ви часто використовуєте, навіть не задумуючись над цим.

Кому з вас не доводилось, розігнавшись на велосипеді, деякий час насолоджуватись рухом, не крутячи педалі!

Особливо ефектно спостерігати явище інерції в зимових видах спорту, де тертя вдається зробити особливо малим (мал. 87).

Мал. 87. Рух за інерцією

Отже, якщо на тіло не діють інші тіла — воно зберігає свою швидкість сталою. Відповідно, щоб тіло змінило свою швидкість — необхідний вплив іншого тіла. І прояв явища інерції в цьому разі стає небезпечним, адже внаслідок інерції не можна миттєво змінити швидкість руху тіла — для цього потрібен час.

Наприклад, під час різкого гальмування автобуса пасажири деякий час продовжують зберігати свій попередній стан руху і нахиляються вперед. Якщо ж автобус різко починає рух, то пасажири за інерцією залишаються в спокої і відхиляються назад.

На малюнку 88 зображено випадки прояву явища інерції. Прокоментуйте їх.

Мал. 88. Прояви явища інерції

ІНЕРТНІСТЬ ТІЛ. МАСА. Для того щоб тіло змінило швидкість, потрібна дія іншого тіла, або, як кажуть, взаємодія між тілами.

Практичні спостереження явища інерції дозволяють встановити ще одну закономірність: чим масивніше тіло, тим більше часу потрібно, щоб змінити його швидкість.

Переконаємось у цьому на досліді. Зігнемо гнучку пластинку, її кінці зв’яжемо ниткою і закріпимо на штативі. До кінців пластинки впритул поставимо два однакові візочки. Якщо нитку перерізати, то пластинка розпрямиться і штовхне обидва візочки, надавши їм однакових швидкостей. Обидва візочки за один і той самий час пройдуть однакові відстані (мал. 89).

Мал. 89. Дослід з однаковими візочками

Коли на один із візків покласти який-небудь вантаж (збільшити його масу) і повторити дослід, то візок, що має більшу масу, пройде меншу відстань (мал. 90).

Мал. 90. Дослід з візочками, що мають різну масу

Отже, в разі дії однієї й тієї ж зігнутої пластинки за один і той самий інтервал часу візки набули різних швидкостей.

Узагальнюючи дослід на подібні явища, зазначимо: тіло з більшою масою, яке під час взаємодії повільніше змінює свою швидкість, називають більш інертним, а тіло меншої маси — менш інертним.

Інертність — це властивість тіла зберігати свій стан руху.

При розгляді досліду було застосоване поняття маси тіла. Усупереч тому, що, на перший погляд, це поняття здається простим і зрозумілим, воно протягом усього часу становлення фізичної науки неодноразово викликало наукові суперечки. Його суть ми будемо поступово з’ясовувати під час подальшого вивчення фізики.

Виходячи із досліджуваних явищ, можна стверджувати, що чим більшою є маса тіла, тим воно інертніше, а чим меншою є маса — тим менш інертне, іншими словами маса кількісно характеризує інертність тіла.

Маса — це фізична величина, яка кількісно характеризує інертність тіла.

Усі тіла — людина, Земля, Сонце, краплина води, атом, молекула тощо мають масу.

Масу позначають малою латинською літерою т. У СІ одиницею маси є кілограм 1 (кг).

На практиці, окрім кілограма, застосовують й інші одиниці маси — тонна (т), центнер (ц), грам (г), міліграм (мг):

1 т = 1000 кг = 10³ кг;

1 ц = 100 кг = 100 кг;

1 г = 0,001 кг = 10^-3 кг;

1 мг = 0,000001 кг = 10^-6 кг.

Для вимірювання маси існує декілька способів. Враховуючи розглянуті досліди, можна зробити висновок: маси двох тіл обернено пропорційні модулям швидкостей, яких вони набувають під час взаємодії:

Спосіб вимірювати масу тіла за зміною його швидкості під час взаємодії в повсякденному житті використовують не часто. Найбільш поширений і давній спосіб — це зважування тіла на важільних терезах (мал. 91, а). Зважити тіло — означає порівняти його масу з масою еталона в 1 кг.

Мал. 91. а — важільні терези з важками; б — еталон 1 кг

За еталон в 1 кг взято масу спеціально виготовленого циліндра зі сплаву платини та іридію (мал. 91, б). Зберігається еталон маси в Міжнародному бюро мір і ваги в м. Севрі, що під Парижем.

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

Якщо на тіло не діють інші тіла, то воно зберігає стан спокою або прямолінійного рівномірного руху (рухається за інерцією).

Інертність — властивість тіла зберігати стан руху (або спокою).

Маса — фізична величина, яка кількісно характеризує інертність тіла.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗНАНЬ

Дайте відповідь на запитання

• 1. Що називають інерцією; інертністю тіла?
• 2. Сформулюйте закон інерції.
• 3. Що таке маса тіла? Які її одиниці?
• 4. Які способи вимірювання маси вам відомі?

Поясніть

• 1. Чому людина, яка спотикнулася, падає в напрямі руху?
• 2. У чому полягає різниця при звільненні ковдри від пилу при її вибиванні й витрушуванні?
• 3. Наведіть приклади, які показують, як змінюється швидкість двох тіл різної маси внаслідок їх взаємодії.

Вправа 10

1. Виразіть в кг такі значення маси: а) 0,1 г; б) 200 мг; в) 3 т; г) 40 ц.

2. Визначте сумарну масу:

5 кг + 200 г + 150 мг = ... г,

5 т + 350 кг + 500 г = ... кг,

1900 г + 100 мг = ... кг.

3. Маса однієї молекули води приблизно дорівнює 2,99 • 10^-26 кг. Визначте масу 5 • 10²⁰ молекул.

4. На малюнку 92 важільні терези перебувають у рівновазі. Яка маса металевої деталі?

Мал. 92. Яка маса металевої деталі?

5. Унаслідок зіткнення дві кульки, які рухались назустріч одна одній, зупинились. Порівняйте маси кульок, якщо початкова швидкість першої кульки 2 м/с, а другої — 12 м/с.

6. Рухома куля зазнає зіткнення з нерухомою кулею. Унаслідок цього перша куля зупиняється, а друга приходить у рух зі швидкістю першої кулі. Що можна сказати про маси цих куль?

ЦІКАВІ ФАКТИ

Хто і коли винайшов терези?

Який народ і коли винайшов терези — невідомо. Можливо, це було зроблено багатьма народами, незалежно один від одного, і простота у використанні послугувала їх широкому застосуванню (мал. 93).

Мал. 93. Використання терезів у Стародавньому Єгипті

Одиниця маси, як і одиниця довжини, спочатку встановлювалася за природними еталонами. Найчастіше таким еталоном була маса зернини. Так, наприклад, масу дорогоцінних каменів визначають до сьогодні в каратах (0,2 г) — це маса насінини одного з видів бобів.

Згодом за одиницю маси стали використовувати масу води, яка заповнювала посудину певного об’єму. Наприклад, у Стародавньому Вавилоні за одиницю маси приймали талант — масу води, яка повністю витікала з посудини через невеликий отвір протягом години.

За масою насінин або води виготовляли металеві гирі різної маси, які зберігались у храмах або управлінських закладах.

На Київській Русі одиницею маси була гривна (409,5 г). Пізніше вона була названа фунтом. Для визначення більших мас застосовувався пуд (16,38 кг), а менших — золотник (12,8 г).

Масу тіла також можна визначити за допомогою пружинних ваг, які не потребують гир. Але зазначимо, що якби одне й те саме тіло зважували за допомогою терезів і пружинних ваг, наприклад, на Місяці, то значення маси, визначене за допомогою терезів було б таке саме, як і на Землі, а якщо за допомогою пружинних ваг — то їх покази були б у 6 разів менші!!! Чому це так, ви дізнаєтесь пізніше.