Этот коэффициент зависит от размеров и массы небесного тела.

Вообще изучение Солнечной системы, да и космического пространства в целом очень важно для понимания процессов, происходящих на Земле.

Упражнения.

Задача 1. Найдите силу тяжести, действующую на тело, масса которого составляет 20 кг. Какова будет сила тяжести, действующая на это же тело на Луне?

Задача 2. Определите, какая сила тяжести будет больше: сила тяжести, действующая на тело массой 300 г на Юпитере или сила тяжести, действующая на тело массой 700 г, на Земле?

Основные выводы:

1. Явление всемирного тяготения – это явление взаимного притяжения между всеми телами во Вселенной.

2. Сила притяжения между двумя телами зависит от массы этих тел и от расстояния между ними.

3. Сила тяжести прямо пропорциональна массе тела F _тяж = mg

4. g – коэффициент пропорциональности, который на Земле равен g = 9,8 Н/кг

 

7.25. Сила упругости. Закон Гука

В данной теме будет рассмотрен еще один вид силы – сила упругости.

Ранее говорилось о том, что сила, действующая на тело, является причиной изменения скорости этого тела. На любое тело, находящееся на Земле, действует сила тяжести. Остановимся на этом поподробнее. Например, если человек сидит на лавочке, то на него действует сила тяжести, хотя его скорость не изменяется. Таким образом, хотя на тело действует сила, но при этом, скорость этого тела не меняется (то есть, остаётся нулевой в данном случае). Как же это можно объяснить? Объяснение может быть только одно: на тело действует какая-то другая сила, которая уравновешивает силу тяжести. Эта сила называется силой упругости. Сила упругости – это сила, возникающая при деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение, придать ему исходную форму. То есть, из-за силы тяжести, действующей на лавочку, возникает сила упругости, которая препятствует тому, чтобы лавочка прогибалась, и стремится вернуть лавочку в исходное положение. То же самое можно сказать и о книге, лежащей на столе. На неё действует сила тяжести со стороны Земли и сила упругости со стороны стола. Проведем следующий опыт: подвесим тело на пружине. Чем больше пружина будет растягиваться, тем больше будет сила упругости. В какой-то момент, сила упругости станет равной силе тяжести, и тогда растяжение прекратится. Зависимость силы упругости от степени деформации тела была исследована Робертом Гуком.

Он установил, что изменение длины тела при растяжении (или сжатии) прямо пропорционально модулю силы упругости. В этом и заключается закон Гука.

где Δ l – изменение длины тела;

k – жёсткость тела.

Жесткость зависит от размеров и формы тела и, конечно, от вещества, из которого тело состоит. Жесткость тела определяется экспериментальным путем. Если выразить жесткость из формулы, описывающей закон Гука, то можно убедиться, что она равна отношению силы упругости к удлинению тела.

Поскольку в системе СИ сила измеряется в Н (ньютонах), а длина в м (метрах), следуя формуле, жесткость измеряется в ньютонах на метр.

Необходимо отметить, что существуют упругие и неупругие деформации. Под упругой деформацией подразумевается деформация, после которой тело восстанавливает исходную форму, как только перестают действовать силы, вызвавшие деформацию. Неупругая деформация – это деформация, после которой тело не восстанавливает форму, даже после окончания действия сил, вызвавших деформацию. Например, если растянуть пружину, а потом отпустить её, то пружина восстановит свою форму. Это будет называться упругой деформацией. А вот если расплющить монету ударом молотка, то монета не восстановит свою форму. Это пример неупругой деформации. Так вот, закон Гука применим только к упругим деформациям.

Действие сил упругости используется для создания такого прибора, как динамометр. Динамометр – это прибор для измерения силы.

У каждого динамометра есть крючок, на который укрепляется груз, а также пружина, степень деформации которой позволяет судить о приложенной силе. Также на динамометр нанесена шкала, чтобы можно было считывать его показания. Например, если подвесить грузик на пружину динамометра, то прибор покажет нам силу тяжести, действующую на этот грузик. Допустим по шкале прибора видно, что эта сила составляет 1 Н. Если подвесить еще один такой же грузик, то динамометр покажет силу, вдвое большую, то есть, 2 Н. Добавив еще один грузик, можно убедится, что сила уже равна 3 Н. Таким образом, сила упругости, возникающая при деформации пружины, уравновешивает суммарную силу тяжести грузиков. На динамометре есть и другая шкала – шкала, с помощью которой можно измерить удлинение пружины. Если повторить тот же опыт, то можно убедиться, что удлинение увеличивается пропорционально увеличению силы упругости. То есть, подтверждается закон Гука.

Таким образом, когда тело висит на каком-то подвесе, или стоит на опоре, на него действует сила тяжести, которая уравновешивается силой упругости. Сила, действующая на опору или подвес, вследствие притяжения тела к Земле, называется весом тела. Вес тела обозначается большой латинской буквой и является векторной величиной (как и любая другая сила). Вес направлен перпендикулярно опоре или подвесу. В том случае, если тело и опора находятся в состоянии покоя или движутся равномерно и прямолинейно, вес тела равен силе тяжести. В чем же тогда разница между весом тела и силой тяжести? Разница довольно существенная: сила тяжести действует на тело (то есть, сила тяжести приложена к телу). Вес – это сила, с которой тело действует на опору (то есть, вес приложен к опоре). Сила тяжести – это сила, возникающая в результате взаимодействия тела с Землёй. Вес – это сила, возникающая в результате взаимодействия тела с опорой или подвесом.

Рассмотрим пример: тело находится в свободном падении. Почему оно падает? Потому что на него действует сила тяжести. Но вес тела в этот момент равен нулю, потому что тело не действует, ни на опору, ни на подвес.

Необходимо обратить внимание на распространенную ошибку: часто люди спрашивают «сколько ты весишь?» и получают ответ, например, 50 кг. В килограммах измеряется масса, и именно о ней следует спрашивать. А вес – это сила, и она измеряется в ньютонах. Опять же, при падении тела, его вес равен нулю. Но вот масса тела не зависит от того, падает тело или покоится.

Упражнения.

Задача 1. Ученик прицепил динамометр к пружине. Когда он растянул пружину на 10 см, он посмотрел на динамометр. Оказалось, что для такого растяжения потребовалось приложить силу, равную 4 Н. Найдите жесткость данной пружины.

Задача 2. Шнур длиной 2 м имеет жесткость, 120 Н/м. Какую силу нужно приложить к шнуру, чтобы его длина составила 205 см?

Задача 3. На опоре стоит куб, сторона которого равна 15 см. На подвесе висит шар, сделанный из того же материала, что и куб. Найдите объём этого шара, если его вес вдвое больше, чем вес куба.

Основные выводы:

1. Сила упругости – это сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение.

2. Деформации бывают упругими и неупругими.

3. Упругая деформация – это деформация, после которой тело восстанавливает исходную форму, как только перестают действовать силы, вызвавшие деформацию.

4. Неупругая деформация – это деформация, после которой тело не восстанавливает форму, даже после окончания действия сил, вызвавших деформацию.

5. Закон Гука (для упругих деформаций)

6. Коэффициентом пропорциональности в этом законе является такая величина, как жёсткость тела. Эта величина определяется экспериментально.

7. Вес – это сила, действующая на опору или подвес вследствие действия на тело силы тяжести. Вес направлен перпендикулярно опоре или подвесу. В случае если и тело, и опора (или подвес) покоятся или двигаются равномерно и прямолинейно, вес тела равен силе тяжести.

 

Сложение сил. Графическое изображение сил.

В данной теме будет идти речь о сложении сил. В предыдущих темах было показано, что существуют разные силы, которые могут действовать на тело одновременно. Сила тяжести – это сила, с которой Земля притягивает все находящиеся на ней тела. Вследствие этой силы возникает ещё одна сила, которая называется весом тела. Вес тела действует на опору или подвес. В теле, которое деформируют (или пытаются деформировать) возникает сила упругости, стремящаяся вернуть тело в исходное положение. Когда тело покоится на той или иной опоре, то силу тяжести уравновешивает сила упругости, и поэтому тело не изменяет свою скорость.

Что значит, уравновешивает? Это значит, что силы тяжести и упругости имеют одинаковый модуль, но направлены в противоположные стороны.

В итоге, так называемая равнодействующая сила (или результирующая сила) равна нулю. Итак, равнодействующая сила – это сила, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил. Сила упругости и сила тяжести действуют на тело одновременно и уравновешивают друг друга, то есть, в конечном итоге, не производят никакого действия. Именно поэтому, равнодействующая сила равна нулю.

Если две абсолютно одинаковых машины связать тросом и заставить их ехать в разные стороны, то ни одна из них не сдвинется с места.

Причина та же самая – равнодействующая сила равна нулю, поскольку силы, с которыми машины действуют на трос, равны по модулю и противоположны по направлению. Если заменить одну из машин, на более мощную, то она сможет сдвинуться с места.

В этом случае, равнодействующая сила уже не будет равна нулю. Она будет равна разности между большей и меньшей силой. Направление равнодействующей силы будет в сторону, в которую направлена большая сила. Что будет происходить, если силы направлены в одну и ту же сторону? Равнодействующая сила будет равна сумме модулей этих сил. Например, если в телегу запрячь не одну, а две лошади, то они будут тянуть телегу сильнее. Равнодействующая сила будет равна сумме сил обеих лошадей.

Рассмотрим, как графически изображать силы. В одной из прошлых тем упоминалось, что на рисунках и чертежах, стрелочки, которыми обозначают силы, рисуют пропорционально модулям этих сил. Вернёмся к примеру с машинами, и изобразим силу каждой из них графически. Итак, пусть зеленая машина развивает тягу, равную F ₁ = 15 кН, а красная машина – силу тяги, равную F ₂ = 12 кН. Прежде чем изображать силы графически, необходимо выбрать удобный единичный отрезок: в приведенном случае удобно выбрать 3 кН. Тогда, длина стрелочки, изображающей силу тяги зеленого автомобиля должна быть равна 5 единичным отрезкам. Аналогично, длина стрелочки, изображающей силу тяги красного автомобиля должна быть равна 4 единичным отрезкам.

Равнодействующая сила будет равна 3 кН. Таким образом, на рисунке равнодействующая сила показана стрелочкой длиной в 1 единичный отрезок. Равнодействующая сила будет направлена в ту же сторону, что и сила F ₁, поскольку модуль силы F ₁больше модуля силы F ₂.

Рассмотрим теперь другой пример: ежик массой 800 г держит на спине яблоко 300 г. Известно, что сила тяжести вычисляется по формуле

F _тяж = mg

И на ёжика, и на яблоко будет действовать сила тяжести. Сила тяжести, действующая на тело массой 100 г, равна 0,98 Н. Это значение можно взять за единичный отрезок.

Поскольку масса яблока втрое больше, чем 100 г, силу тяжести, действующую на яблоко, изображаем стрелочкой с длиной в 3 единичных отрезка. Тогда длина стрелочки, изображающая силу тяжести, действующую на ёжика должна быть равна 8 единичным отрезкам, поскольку масса ёжика в 8 раз больше 100 г. Известно что, сила тяжести всегда направлена вертикально вниз. Тогда, равнодействующая сила, действующая на поверхность земли под ёжиком, будет равна сумме сил тяжестей, действующих на ёжика и на яблоко. Длина стрелочки, обозначающей равнодействующую силу должна быть равна 11 единичным отрезкам. Таким образом, модуль равнодействующей силы равен

R = 10,78 Н

Упражнения:

Задача 1. Пользуясь рисунком, найдите массу животных.

Решение

Задача 2. В тот момент, когда человек отталкивался от земли, чтобы прыгнуть, на него действовала результирующая сила, равная 40 Н и направленная вертикально вверх. Найдите модуль и направление силы, с которой человек оттолкнулся от земли в момент прыжка, если его масса равна 60 кг.

Задача 3. Один магнит закреплен под крышкой стола. Когда на стол положили второй магнит, он начал действовать на стол с силой, равной 3 Н, а когда его перевернули, он начал действовать на стол с силой 2,8 Н. Учитывая то, что магниты притягивались и отталкивались с одинаковой по модулю силой, найдите модуль этой силы.

Основные выводы:

1. Результирующая (или равнодействующая) сила – это сила, которая оказывает на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил.

2. Результирующая сил, направленных по одной прямой в одну сторону, направлена в ту же сторону, а её модуль равен сумме модулей составляющих сил.

3. Результирующая сил, направленных по одной прямой в противоположные стороны, направлена в сторону большей по модулю силы, а её модуль равен разности модулей составляющих сил. Если к телу приложены две силы равные по модулю и противоположные по направлению, то равнодействующая сила равна нулю.

 

7.29. Сила трения. Трение покоя

 

В данной теме речь будет идти о силе, несколько отличающейся от тех, которые изучались до этого – о силе трения.

Рассмотрим несколько простых примеров. После того, как человек скатывается с горки на санках, санки продолжают ехать по горизонтальной поверхности, но постепенно останавливаются. То же самое происходит и с лыжником: как только он выезжает на горизонтальную поверхность и перестает отталкиваться, его скорость постепенно убывает. Автомобиль, двигатель которого заглушили, может проехать некоторое расстояние, но после этого остановится. Также, если велосипедист прекратит крутить педали, находясь на ровной поверхности, он тоже остановится.

Таких примеров можно привести много. Во всех этих примерах наблюдается изменение скорости. Следовательно, на рассмотренные тела действует какая-то сила. Эта сила называется силой трения. Дело в том, что между соприкасающимися поверхностями возникает взаимодействие, которое препятствует относительному движению этих тел. Такое взаимодействие называют трением. Конечно, как дорожное покрытие, так и само колесо не являются идеально гладкими, а значит, между ними возникает трение. Во всех примерах наблюдалось не просто изменение скорости, а её уменьшение. Кроме того, трение препятствует движению, поэтому, сила трения всегда направлена в сторону, противоположную движению.

Основной причиной возникновения трения являются шероховатости, присутствующие на различных поверхностях. Даже те тела, которые кажутся нам достаточно гладкими на вид, имеют некоторые неровности и царапины на поверхности. Таким образом, когда тело скользит или катится по поверхности другого тела, эти неровности цепляются друг за друга, препятствуя движению. Это приводит к потерям энергии, и, как следствие наблюдается уменьшение скорости движения тел. Если же поверхности тел очень хорошо отполировать, то причиной трения станет взаимное притяжение между молекулами, находящимися на поверхностях разных тел. Если поверхности тел очень гладкие, то расстояние между их молекулами становится сравнимым с размерами самих молекул, и взаимное притяжение между молекулами становится существенным.

Известно, что силу трения можно во много раз уменьшить с помощью смазки. Например, в дождливую погоду во много раз сложнее остановить автомобиль, чем в сухую из-за того, что сцепление шин с дорожным покрытием значительно слабее. На мокром полу поскользнуться гораздо проще, чем на сухом.

Также смазкой объясняется очень малая сила трения между коньками и льдом. Дело в том, что между коньками и льдом образуется тонкий слой воды, который и уменьшает и без того небольшую силу трения (ведь лед является достаточно гладкой поверхностью).

Трение бывает нескольких видов: трение скольжения, трение качения и трение покоя.

Примером трения скольжения может послужить движение лыж по снегу. Если тело не скользит, а катится по поверхности другого тела, то между ними возникает трение качения (например, движение автомобиля по дороге). Трением покоя можно объяснить, например, почему доска, опирающаяся на стену, не сползает на пол.

Например, автомобиль припаркован на холмике. На этот автомобиль действует сила тяжести. Он не катится вниз, потому что его удерживает сила трения покоя. Неровности на шинах автомобиля и на дорожном покрытии сцепляются и препятствуют движению. Если водитель решит поехать, то это уже будет трением качения. Наконец, если водитель по какой-то причине решит так резко затормозить, что колеса автомобиля заблокируются, мы будем наблюдать трение скольжения. Известно, что при экстренном торможении скорость уменьшается значительно быстрее, поэтому, можно предположить, что сила трения скольжения больше, чем сила трения качения при прочих одинаковых условиях.

Рассмотрим другой пример: известно, что тянуть или толкать тележку без колес будет в разы сложнее, чем, если приделать к ней колёсики и катить её. Тем не менее, чем больше нагрузить тележку, тем сложнее будет её тянуть или толкать. Следовательно, чем больше сила, прижимающая тело к поверхности, тем больше возникающая при этом сила трения. В этом можно убедиться на опыте. Рассмотрим, как брусок тянут, прицепив его к динамометру. Показания динамометра увеличиваются по мере того, как брусок нагружают гирьками. А теперь, обратим внимание на важную деталь: для того, чтобы сдвинуть брусок с места, необходимо преодолеть силу трения покоя. Как только это произошло, продолжаем тянуть брусок, но динамометр уже показывает меньшую силу. Поэтому, сила трения покоя больше, чем сила трения скольжения при той же нагрузке. Если перевернуть брусок, так, что площадь соприкосновения со столом уменьшится, и повторить опыт, то показания динамометра будут такими же, как и в предыдущий раз. Это говорит о том, что сила трения не зависит от площади соприкосновения с поверхностью.

Необходимо отметить, что существует ещё один вид трения, который называется вязким трением. Так называется сопротивление в жидкостях и газах. Известно, насколько тяжело двигаться в воде. Это объясняется тем, что сила сопротивления воды многократно превышает силу сопротивления воздуха. Однако и у воздуха есть собственное сопротивление. Если бы его не было, то, например, люди никогда бы не придумали парашют.

Основное отличие вязкого трения от сухого – это то, что не существует вязкого трения покоя. В этом легко убедится на простом опыте. Наполните какую-нибудь чашку или тарелку водой. На воду опустите щепку, травинку или пёрышко и слегка подуйте. Даже самое слабое дуновение заставит пёрышко хоть немного сдвинуться с места. Значит, никакое трение покоя его не удерживает.

Наиболее наглядным примером вязкого трения является сгорание метеоритов в атмосфере Земли.

Ежедневно сотни метеоритов летят в нашу планету, но не достигают её поверхности из-за вязкого трения в атмосфере. В результате того, что метеориты двигаются с большой скоростью, между ними и слоями атмосферы возникает настолько сильное трение, что небольшие метеориты просто сгорают, и лишь крупнейшие из них могут действительно упасть на Землю.

Надо сказать, что силы трения играют довольно большую роль в жизни людей. Если бы не было трения, люди даже не смогли бы ходить, поскольку, когда человек делает шаг, он отталкивается от поверхности земли. То же самое можно сказать и об автомобиле: он бы не смог тронуться с места – колеса просто прокручивались бы на месте. Даже в нашей одежде все нитки держаться вместе только благодаря силе трения покоя. Но, конечно, есть и вредное действие сил трения – например, это износ механических деталей.

 

Поэтому, когда трение вредно, его стараются уменьшить, а когда оно полезно – наоборот, увеличить. Примером уменьшения силы трения может послужить смазка различных деталей специальным маслом. Но иногда силу трения просто необходимо увеличить: например, когда на улицах гололед, тротуары, да и дороги, посыпают песком, чтобы было менее скользко, то есть, чтобы увеличить силу трения.

Упражнения:

Задача 1. Велосипедист развивает тягу, равную 200 Н. Результирующая сила, действующая на велосипед, направлена в сторону движения велосипеда, а её модуль составляет 150 Н. Найдите силу трения.

Задача 2*. Мячик массой 500 г бросают в вертикальную трубу. Из-за соприкосновения со стенками трубы, на мяч действует сила трения, модуль которой равен 3,9 Н. Какую скорость наберёт мяч через 5 с после начала движения?

Основные выводы:

1. Различают три вида трения: трение скольжения, трение качения и трения покоя.

2. Существует понятие вязкого трения – это сопротивление жидкостей и газов.

3. Сила трения – это сила, возникающая между двумя соприкасающимися телами.

4. Сила трения всегда препятствует движению и направлена в сторону, противоположную направлению движения.

5. Основной причиной трения являются шероховатости и неровности на поверхностях тел, но иногда причиной трения может быть взаимное притяжение молекул.

6. Силы трения можно существенно уменьшить с помощью смазки – это часто используется в технике.

 

7.53 Работа

В повседневной жизни слово «работа» употребляется в различных смыслах. Например, написав домашнее сочинение или решив трудные задачи по физике, ученик чувствует усталость и с гордостью за самого себя говорит: «Сегодня я сделал такую большую работу!». Но, с точки зрения физики, никакой работы ученик не совершили. Так что же такое работа?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо вспомнить некоторые определения и понятия, которые изучались ранее. В одной из прошлых тем говорилось о том, что количественной характеристикой меры взаимодействия тел является сила. Под действием силы, тело может либо изменить свою скорость, либо деформироваться. А результат действия силы на тело зависит от ее модуля, направления и точки приложения.

Для того чтобы оценить то, что совершила сила, действуя на движущееся тело, в физике вводится понятие «работа».

Посмотрим внимательно на рисунки. Есть ли что-то общее в результатах действия сил у всех тел, изображенных на рисунке? Действующие сила тяжести, сила давления пороховых газов и сила тяги вызывают увеличение скорости тела.

 

Но сила, действующая на движущееся тело, может и уменьшать его скорость. Например, если мы подбросим вверх мячик, то сила тяжести будет уменьшать скорость его движения. Или, например, сила трения также уменьшает скорость движения автомобиля, при его торможении.

Так вот, в тех случаях, когда сила изменяет значение скорости движения тела, говорят, что сила совершает механическую работу. Работа является физической величиной.

По какой формуле можно рассчитать работу? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим разгон любого транспортного средства, например, велосипеда, автомобиля или ракеты. Во всех случаях изменение скорости тел, а значит, и работа, совершаемая при разгоне, зависит от значения действующей силы (в нашем случае силы, разгоняющей транспортное средство) и от пройденного пути. Чем больше сила и путь, тем большая совершается работа.

Таким образом, механическую работу – физическая величина, пропорциональная действующей на тело силе и пройденному под действием этой силы пути.

Обозначается работа большой латинской буквой «А». Тогда, если направление действия силы совпадает с направлением движения тела, то работа равна произведению силы и пройденного под действием этой силы пути.

A = Fs

Единицей работы в СИ является 1 джоуль (Дж). Названа она в честь известного английского физика Джеймса Прескотта Джоуля.

1 джоуль — это работа, которую совершает сила 1 Н на пути 1 м.

Для измерения большой работы используются кратные джоулю единицы:

1 кДж = 1000 Дж;

1 МДж = 1000000 Дж.

В случае малой работы применяются дольные единицы:

1 мДж = 0,001 Дж;

и 1 мкДж = 0,000001 Дж.

Из формулы для работы видно, что, если есть силы, но нет движения, то нет и работы.

Известно, что приложенная к движущемуся телу сила не всегда увеличивает скорость его движения. Так, при подъеме вверх брошенного мяча сила тя­жести замедляет скорость его движения. Аналогично при спуске санок с горы — сила трения уменьшает скорость движения санок на горизонтальном участке пути. Поэтому, работу силы тяжести или трения, выполненную в этих и других подобных случаях, считают отрицательной. Если же направление силы, действующей на тело, перпендикулярно направлению движения тела, то эта сила работы не совершает, т.е. работа этой силы равна нулю.

Упражнения.

Задача 1. Требуется определить, какую работу совершает сила в 3 кН, разгоняющая тело на пути в 40 см?

Задача 2. При вертикальном подъеме ракеты массой 100 кг на некоторую высоту силой тяги, равной 1,5 кН, была совершена работа в 150 кДж. Определите, на какую высоту поднялась ракета? Какую работу совершили за это время сила тяжести и равнодействующая сил, приложенных к ракете. Изменением массы ракеты можно пренебречь.

Задача 3. Подъемный кран равномерно поднимает с земли мешки с цемен­том общей массой 500 кг на один из этажей строящегося зда­ния. Сила упругости троса при этом совершает работу в 100000 Дж. Определите, на какой этаж был поднят цемент, если высота одного этажа составляет 4 метра. Чему равна работа равнодействующей сил, прило­женных к мешкам?

Основные выводы:

· Механическая работа — это физическая величина, пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути.

· Единица работы в СИ — джоуль.

· 1 джоуль — эта работа, совершаемая силой 1 Н на пути, равном 1 м.

· механическая работа характеризует результат действия на тело силы на пройденном им пути.

· При отсутствии движения тела силы, действующие на тело, не совершают работы.

7.54 Мощность

Механическая работа — это скалярная физическая величина, пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути. Единицей работы в системе СИ является Дж (джоуль). 1 Дж — эта работа, совершаемая силой 1 Н на пути, равном 1 м.

Было установлено, что механическая работа характеризует результат действия на тело силы на пройденном им пути. При отсутствии движения тела силы, действующие на тело, не совершают работы.

Однако одну и ту же работу можно выполнить за разный промежуток времени. Рассмотрим простой пример: человеку, для перемещения груза массой 20 кг на расстояние в 3 км необходимо затратить около 2 часов, а автомобилю для этого достаточно нескольких минут. Работа выполняется одинаковая. Одинаковая масса перемещается на одно и то же расстояние. Но быстрота совершения работы силой человека и силой тяги автомобиля разная. За единицу времени сила тяги автомобиля выполняет работу большую, чем сила человека. Для описания быстроты совершения работы вводится физическая величина, называемая мощностью.

Мощность — это физическая величина, численно равная работе, совершенной за единицу времени. Обозначается мощность латинской буквой N.

За единицу мощности в системе СИ принимается мощность, при которой действующая на тело сила за 1 с совершает работу в 1 Дж. Эта единица мощности называется ватт (Вт) в честь английского изобретателя Джеймса Уатта.

[ N ] = [Вт]

Для измерения больших мощностей ис­пользуются кратные единицы: гВт (гектоватт), кВт (киловатт) и МВт (мегаватт). А для малых мощностей употребляются дольные единицы: мВт (милливатт) и мкВт (микроватт).

Автомобилисты по традиции используют старинную единицу мощности — лошадиную силу (л.с.). 1 л.с. — это мощность, которую развивает лошадь при подъеме груза, массой 75 кг на высоту 1 м за 1 с.

1 л.с. = 736 Вт.

В этих внесистемных единицах мощность первого советского трак­тора «Коммунар» на гусеничном ходу была равна 50 л.с.

Опытный водитель всегда разумно использует мощность своей машины, управляя скоростью вращения колес. Почему? Запишем формулу мощности.

Распишем работу, как произведение силы и пройденного под действием этой силы пути.

Так как , то, можно записать, что мощность равна произведению силы, действующей на тело, и скорости тела.

Таким образом, при заданной мощности, чем меньше будет скорость тела, тем больше будет сила, действующая на него. Вот почему водители тракторов, вспахивая землю, т.е. когда требуется большая сила, едет на малой скорости, чтобы увеличить силу тяги двигателя. То же самое делает и водитель машины, трогаясь с места или двигаясь в гору. Именно для этого в автомобилях и тракторах есть специальное устройство для переключения скорости вращения колес — коробка передач, рукоятка которой расположена близко к правой руке водителя.

Зная мощность механизма, можно рассчитать работу, совершаемую этим механизмом за какой-нибудь промежуток времени.

Упражнения.

Задача 1. Найдите мощность механизма, с помощью которого совершена работа в 3 МДж за 2 минуты.

Задача 2. На уроке физкультуры мальчик массой 50 кг поднялся по канату на высоту 6 м за 8 с. Определите среднюю мощность, развиваемую мальчиком при подъеме.

Задача 3. Определите мощность падающей воды, протекающей через плотину Саяно-Шушенской гидроэлектростанции, высота которой 242 м, а максимальный расход воды составляет 1434000 м³/мин.

Основные выводы:

· Мощность – это скалярная физическая величина, характеризующая быстроту совершения работы:

· Единица мощности в системе СИ является Вт (ватт).

· 1 Вт — это мощность, при которой за 1 с совершается работа 1 Дж.

· Одинаковую мощность можно получить либо при большой скорости и небольшой силе, либо, наоборот, при малой скорости и большой силе.

 

7.55 Рычаги

Механическая работа — это скалярная физическая величина, пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути. Единицей работы в системе СИ является Дж (джоуль). Мощность — это скалярная физическая величина, которая характеризует быстроту совершения работы. Единицей мощности в системе СИ является Вт (ватт).

С незапамятных времен человечество использует различные приспособления для совершения механической работы. Известно, что очень тяжелые предметы достаточно трудно, а временами и невозможно, передвинуть непосредственно. Однако используя достаточно длинную палку, или, как ее еще называют, рычаг, это можем сделать достаточно легко.

Если посетить любое современное производство, то можно увидеть, как работают машины. Они, как разумные существа, прессуют, гнут, режут большие металлические листы, считают и сортируют, взвешивают и упаковывают различные изделия.

Однако если рассмотреть любое устройство такой сложной конструкции, то можно заметить, что ее механическая составляющая представлена сочетаниями всего шести видов простых механизмов — рычагов, блоков, винтов, клиньев, воротовинаклонных плоскостей.

В быту также часто используются простые механизмы — это топор, лопата, ножницы, мясорубка и многое другое.