Сила

В статье простым и доступным языком раскрывается понятие силы трения, причины её возникновения и роль в жизни людей и животных. Кроме этого, показаны примеры базовых задач и простейшие формулы, необходимые для решения.

Определение силы трения

Каждый раз, когда соприкасающиеся тела или их части движутся относительно друг друга, возникает сила, стремящаяся это движение прекратить или хотя бы уменьшить. Подобное физическое явление называется силой трения, и направление её действия всегда противоположно движению.

Визуальное представление силы трения

ВАЖНО: трение может быть как внешним, так и внутренним. К первому типу относится любое противодействие перемещению двух и более тел, а ко второму – трение внутри одного сплошного объекта, например в газе или жидкости.

В чём измеряется сила трения

Интересный факт: до принятия СИ в 1960 году использовали абсолютную физическую систему единиц, и размерностью силы была дина. Так как 1 дин = 1 г / (см/с2), то дины и ньютоны отличаются на пять порядков, а именно: 1 дин = 10-5 Н.

Как измерить силу трения

Для измерения механической силы обычно используют динамометр – прибор, ключевыми частями которого являются силовой элемент (в основном пружина) и отчётное звено (например, линейка).

Принцип действия примитивного пружинного динамометра прост: сила, действующая на прибор, сжимает или растягивает упругое звено (в зависимости от направления действия), а её величина регистрируется при помощи измерительной части.

Для того чтобы узнать величину силы трения, передающейся на деревянный брусок при его движении по столу, нужно прикрепить к объекту динамометр и потянуть за пружину в горизонтальной плоскости.

ВНИМАНИЕ: перемещать прибор нужно равномерно и с постоянной скоростью.

Сила трения и сила упругости

На исследуемую систему будут действовать две силы, одна из которых препятствует движению бруска (сила трения), а вторая противится деформации пружины (сила упругости).

СПРАВКА: в данном случае сила тяжести не учитывается, так как её направление перпендикулярно рабочей плоскости.

Вследствие того, что перемещение динамометра равномерное, силы уравновешивают друг друга и имеют одинаковое значение, а так как на измерительной шкале регистрируется сила упругости пружины, то указанная величина и есть искомая цифра.

Подобным опытом можно так же доказать, что сила трения зависит от массы бруска. Установив дополнительный груз и осуществив повторное исследование, легко заметить, что значение на линейке увеличилось.

Сила трения с грузом

Виды силы трения

В трибологии, разделе физики, изучающем взаимодействие контактирующих тел при их относительном движении, трение принято разделять на несколько видов.

Вид трения Описание Отличительная особенность
Сухое Здесь соприкасающиеся объекты не разделены слоями, например смазкой или подобными материалами На практике встречается очень редко
Граничное В области, где предметы контактируют между собой, присутствуют слои различной природы, например окисная плёнка Наиболее встречающийся вариант при скольжении
Вязкое (жидкостное) Контактирующие тела разделены жидкостью, газом, смазкой или, возможно, порошком графита различной толщины Обычно присутствует при качении, когда объекты опущены в жидкость
Эластогидродинамическое Здесь существенную роль играет внутреннее трение, присутствующее в смазке Возникает при увеличении относительной скорости

СПРАВКА: помимо указанных, выделяют ещё один вид трения – смешанное, при котором область контакта тел можно разделить на участки сухого и вязкого трения.

В зависимости от способа перемещения объектов относительно друг друга на них действует:

  • сила трения скольжения;
  • сила трения покоя;
  • сила трения качения.

Сила трения скольжения – определение и формула

Данное явление имеет место при относительном движении соприкасающихся тел, придавая при этом объекту с большей скоростью отрицательное ускорение и уменьшая быстроту его перемещения.

Сила трения скольжения зависит от силы реакции области соприкосновения поверхностей, скорости смещения тел относительно друг друга и материалов контактирующих частей.

ВНИМАНИЕ: площадь соприкосновения не влияет на исследуемую величину.

Формула силы трения скольжения выражает прямо пропорциональную зависимость трения от нормальной реакции опоры N:

Fтр = — μ∙N,

где μ – коэффициент трения (иногда обозначается как k), зависит от материала и степени обработки поверхности контакта. Значения указанной величины найдены эмпирически, и полученные данные, в зависимости от природы контактирующих тел, сведены в таблицу.

СПРАВКА: знак «минус» в формуле характеризует противонаправленность трения движению.

Внешние приложенные к телу силы не влияют на трение скольжения, что можно наблюдать на графике:

Здесь заштрихованная часть соответствует зоне силы трения покоя, величину которой необходимо превысить, чтобы предмет сдвинулся с места при воздействии на него внешних факторов. На графике отмечено, что максимальное значение трения покоя превышает силу трения скольжения, однако обычно их считают одинаковыми.

Сила трения покоя – определение и формула

Данное явление возникает между неподвижными, обязательно соприкасающимися объектами, препятствуя их относительному смещению.

Примерами этой силы может послужить взаимодействие гвоздя и стены, в которую он забит, или концы завязанного шнурка. Благодаря покою (сцеплению), действующему на подошву обуви, люди ходят по дороге без проскальзывания, а машины не буксуют на сухом асфальте.

Для того чтобы сдвинуть друг относительно друга два предмета, нужно преодолеть силу трения покоя, которую находят по формуле:

Fтр = — k0∙N,

где N – реакция опоры, k0 – коэффициент трения покоя.

В 1779 французским физиком Кулоном была установлена зависимость, согласно которой, чем сильнее прижаты тела, тем сложнее преодолеть их сцепление.

ВАЖНО: материал и обработка соприкасающихся поверхностей также влияют на возможность возникновения относительного движения.

Сила трения качения – определение и формула

Данное явление возникает, когда контактирующие тела перекатывают относительно друг друга или в случае качения одного предмета, называемого катком, по поверхности второго.

ВНИМАНИЕ: величина рассматриваемой силы в несколько раз меньше скольжения, поэтому, например, тяжелые предметы проще переставить на поверхность с колёсами и только после этого передвигать.

Обычно для приблизительного расчёта силы трения качения применяют следующую формулу:

Fтр = k∙(N/r),

где k – коэффициент трения качения, r – радиус катка.

СПРАВКА: величина k, в отличие от других коэффициентов в данной теме, имеет размерность длины.

Каковы причины возникновения силы трения (качения и скольжения)

Главная причина возникновения явлений, препятствующих перемещению тел, заключается в неоднородности и шероховатости контактирующих поверхностей. При движении объектов эти дефекты соприкасаются, что и приводит к эффекту торможения.

Помимо этого, причиной трения является существование взаимодействия между молекулами и атомами двух граничащих тел, которое вызывает взаимное притяжение.

Что касается процессов, снижающих скорость качения, то их появление также обуславливается природными деформациями поверхностей. Говоря простым языком, при движении катку требуется постоянно взбираться на небольшие горки, что приводит к замедлению.

Модуль силы трения, формула

Модуль любой величины – это всегда положительное число, следовательно модуль силы трения равен:

|Fтр | = μ∙N,

где μ – коэффициент трения, N – реакция опоры или области контакта.

СПРАВКА: обычно рассчитывают модуль максимального воздействия, которое и показывает динамометр.

Может ли сила трения быть движущей силой

Несмотря на то что указанное явление обычно препятствует движению, в некоторых случаях силу трения можно считать движущей. Например, при рассмотрении пробуксовывающего колеса транспортного средства его скорость в точке касания к поверхности больше нуля. Поэтому сила трения, согласно своему свойству, будет действовать в направлении, обратном мгновенной скорости, что совпадёт с направлением скорости всего колеса. Следовательно, сила трения может являться движущей силой.

Задачи на силу трения

  1. Для брусков, изображенных на рисунке, найти ускорения, учитывая, что нить, соединяющая их, нерастяжима.
  1. Выяснить, сдвинется ли ящик, если прикладывать к нему указанное воздействие.

Примеры силы трения в природе

Изучаемое явление имеет огромное влияние на жизнедеятельность людей и животных. Благодаря силе трения человек может ходить, удерживать в руках предметы, а звери зацепляться за ветки деревьев. Именно существование сцепления держит огромные валуны на скалах и не позволяет им упасть, а растения тянутся к солнечному свету, скрепляясь с близстоящей опорой.

Кроме этого, и животные, и люди умеют избавляться от негативного воздействия торможения. Например, тела рыб покрыты слизью, чтобы уменьшить эффект трения о воду, а человек, особенно в технике, зачастую применяет различные смазывающие материалы.

Международные перевозки грузов Чулан Физика — вспомнить всё.

Физика — вспомнить всё. Понятия и определения.

  • Что такое сила?
  • В чем измеряется сила?
  • Закон всемирного тяготения
  • Векторные и скалярные величины
  • Момент силы
  • Центр тяжести
  • Центр масс
  • Масса и плотность
  • Второй и третий законы Ньютона
  • Принцип суперпозиции

Что такое сила?

Если тело ускоряется то на него что-то действует. А как найти это «что-то»? Например, что за силы действуют на тело вблизи поверхности земли? Это — сила тяжести, направленная вертикально вниз, пропорциональная массе тела и для высот, много меньших, чем радиус земли ${\large R}$, почти независящая от высоты; она равна

${\large F = \dfrac {G \cdot m \cdot M}{R^2} = m \cdot g }$

где

${\large g = \dfrac {G \cdot M}{R^2} }$

так называемое ускорение силы тяжести. В горизонтальном направлении тело будет двигаться с постоянной скоростью, однако движение в вертикальном направлении по второму закону Ньютона:

${\large m \cdot g = m \cdot \left ( \dfrac {d^2 \cdot x}{d \cdot t^2} \right ) }$

${\large v_x = v_0 + g \cdot t}$

${\large x = x_0 + x_0 \cdot t + \dfrac {1}{2} \cdot g \cdot t^2}$

В чем сила измеряется?

Во всех учебниках и умных книжках, силу принято выражать в Ньютонах, но кроме как в моделях которыми оперируют физики ньютоны ни где не применяются. Это крайне неудобно.

Ньютон newton (Н) — производная единица измерения силы в Международной системе единиц (СИ).
Исходя из второго закона Ньютона, единица ньютон определяется как сила, изменяющая за одну секунду скорость тела массой один килограмм на 1 метр в секунду в направлении действия силы.

Таким образом, 1 Н = 1 кг·м/с².

Килограмм-сила (кгс или кГ) — гравитационная метрическая единица силы, равная силе, которая действует на тело массой один килограмм в гравитационном поле земли. Поэтому по определению килограмм-сила равна 9,80665 Н. Килограмм-сила удобна тем, что её величина равна весу тела массой в 1 кг.
1 кгс = 9,80665 ньютонов (примерно ≈ 10 Н)
1 Н ≈ 0,10197162 кгс ≈ 0,1 кгс

1 Н = 1 кг x 1м/с2.

Закон тяготения

Каждый объект Вселенной притягивается к любому другому объекту с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

${\large F = G \cdot \dfrac {m \cdot M}{R^2}}$

Добавить можно, что любое тело реагирует на приложенную к нему силу ускорением в направлении этой силы, по величине обратно пропорциональным массе тела.

${\large G}$ — гравитационная постоянная

${\large M}$ — масса земли

${\large R}$ — радиус земли

${\large G = 6,67 \cdot {10^{-11}} \left ( \dfrac {m^3}{kg \cdot {sec}^2} \right ) }$

${\large M = 5,97 \cdot {10^{24}} \left ( kg \right ) }$

${\large R = 6,37 \cdot {10^{6}} \left ( m \right ) }$

В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, согласно которому сила гравитационного притяжения между двумя телами массы ${\large m_1}$ и ${\large m_2}$, разделённых расстоянием ${\large R}$ есть

${\large F = -G \cdot \dfrac {m_1 \cdot m_2}{R^2}}$
Здесь ${\large G}$ — гравитационная постоянная, равная ${\large 6,673 \cdot {10^{-11}} m^3 / \left ( kg \cdot {sec}^2 \right ) }$. Знак минус означает, что сила, действующая на пробное тело, всегда направлена по радиус-вектору от пробного тела к источнику гравитационного поля, т.е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению тел.
Поле тяжести потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность поля тяжести влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии, что при изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение.
В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал и сила зависят только от положения тела в данный момент времени.

Тяжелее — Легче

Вес тела ${\large P}$ выражается произведением его массы ${\large m}$ на ускорение силы тяжести ${\large g}$.

${\large P = m \cdot g}$

Когда на земле тело становится легче (слабее давит на весы), это происходит от уменьшения массы. На луне все не так, уменьшение веса вызвано изменением другого множителя — ${\large g}$, так как ускорение силы тяжести на поверхности луны в шесть раз меньше чем на земле.

масса земли = ${\large 5,9736 \cdot {10^{24}}\ kg }$

масса луны = ${\large 7,3477 \cdot {10^{22}}\ kg }$

ускорение свободного падения на Земле = ${\large 9,81\ m / c^2 }$

ускорение свободного падения на Луне = ${\large 1,62 \ m / c^2 }$

В результате произведение ${\large m \cdot g }$, а следовательно и вес уменьшаются в 6 раз.

Но нельзя обозначить оба эти явления одним и тем же выражением «сделать легче». На луне тела становятся не легче, а лишь менее стремительно падают они «менее падучи»))).

Векторные и скалярные величины

Векторная величина (например сила, приложенная к телу), помимо значения (модуля), характеризуется также направлением. Скалярная же величина (например, длина) характеризуется только значением. Все классические законы механики сформулированы для векторных величин.

Рисунок 1.

Момент силы

Важно понимать, что ось мы можем выбирать произвольным образом — если тело не вращается, то сумма моментов сил относительно любой оси равна нулю. Второе важное замечание — если сила приложена к точке, через которую проходит ось, то момент этой силы относительно этой оси равен нулю (поскольку плечо силы будет равно нулю).

${\large \overrightarrow{N_{1}} = — \overrightarrow{N_{1}^{gr}}}$

${\large \overrightarrow{N_{2}} = — \overrightarrow{N_{2}^{gr}}}$

Теперь рассмотрим условие равенства моментов сил, действующих на опору, относительно оси, проходящей через точку А (и, как мы договаривались ранее, перпендикулярную плоскости рисунка):

${\large N \cdot l_1 — N_2 \cdot \left ( l_1 +l_2 \right ) = 0}$

Обратите внимание, что в уравнение не вошёл момент силы ${\large \overrightarrow{N_1}}$, поскольку плечо этой силы относительно рассматриваемой оси равно ${\large 0}$. Если же мы по каким-либо причинам хотим выбрать ось, проходящую через точку С, то условие равенства моментов сил будет выглядеть так:

${\large N_1 \cdot l_1 — N_2 \cdot l_2 = 0}$

Можно показать, что с математической точки зрения два последних уравнения эквивалентны.

Центр тяжести

Центром тяжести механической системы называется точка, относительно которой суммарный момент сил тяжести, действующих на систему, равен нулю.

Центр масс

Точка центра масс замечательна тем , что если на частицы образующие тело (неважно будет ли оно твердым или жидким, скоплением звезд или чем то другим) действует великое множество сил (имеются ввиду только внешние силы, поскольку все внутренние силы компенсируют друг друга), то результирующая сила приводит к такому ускорению этой точки, как будто в ней вся масса тела ${\large m}$.

Положение центра масс определяется уравнением:

${\large R_{c.m.} = \frac{\sum m_i\, r_i}{\sum m_i}}$

Это векторное уравнение, т.е. фактически три уравнения — по одному для каждого из трех направлений. Но рассмотрим только ${\large x}$ направление. Что означает следующее равенство?

${\large X_{c.m.} = \frac{\sum m_i\, x_i}{\sum m_i}}$

центр масс сложного тела

лежит на линии, соединяющей центры масс

двух составляющих его частей

Масса и плотность

Масса — фундаментальная физическая величина. Масса характеризует сразу несколько свойств тела и сама по себе обладает рядом важных свойств.

  • Масса служит мерой содержащегося в теле вещества.
  • Масса является мерой инертности тела. Инертностью называется свойство тела сохранять свою скорость неизменной (в инерциальной системе отсчёта), когда внешние воздействия отсутствуют или компенсируют друг друга. При наличии внешних воздействий инертность тела проявляется в том, что его скорость меняется не мгновенно, а постепенно, и тем медленнее, чем больше инертность (т.е. масса) тела. Например, если бильярдный шар и автобус движутся с одинаковой скоростью и тормозятся одинаковым усилием, то для остановки шара требуется гораздо меньше времени, чем для остановки автобуса.
  • Массы тел являются причиной их гравитационного притяжения друг к другу (см. раздел «Сила тяготения»).
  • Масса тела равна сумме масс его частей. Это так называемая аддитивность массы. Аддитивность позволяет использовать для измерения массы эталон — 1 кг.
  • Масса изолированной системы тел не меняется со временем (закон сохранения массы).
  • Масса тела не зависит от скорости его движения. Масса не меняется при переходе от одной системы отсчёта к другой.
  • Плотностью однородного тела называется отношение массы тела к его объёму:

${\large p = \dfrac {m}{V} }$

Плотность не зависит от геометрических свойств тела (формы, объёма) и является характеристикой вещества тела. Плотности различных веществ представлены в справочных таблицах. Желательно помнить плотность воды: 1000 кг/м3.

Второй и третий законы Ньютона

Взаимодействие тел можно описывать с помощью понятия силы. Сила — это векторная величина, являющаяся мерой воздействия одного тела на другое.
Будучи вектором, сила характеризуется модулем (абсолютной величиной) и направлением в пространстве. Кроме того, важна точка приложения силы: одна и та же по модулю и направлению сила, приложенная в разных точках тела, может оказывать различное воздействие. Так, если взяться за обод велосипедного колеса и потянуть по касательной к ободу, то колесо начнёт вращаться. Если же тянуть вдоль радиуса, никакого вращения не будет.

Второй закон Ньютона

Произведение массы тела на вектор ускорения есть равнодействующая всех сил, приложенных к телу:

${\large m \cdot \overrightarrow{a} = \overrightarrow{F} }$

Второй закон Ньютона связывает векторы ускорения и силы. Это означает, что справедливы следующие утверждения.

Третий закон Ньютона

Два тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Эти силы имеют одну и ту же физическую природу и направлены вдоль прямой, соединяющей их точки приложения.

Принцип суперпозиции

У этого термина существуют и другие значения, см. Сила (значения).

Сила

F {\displaystyle \ F}

Размерность

LMT−2

Единицы измерения

СИ

ньютон

СГС

дина

Примечания

векторная величина

Си́ла — физическая векторная величина, являющаяся мерой воздействия на данное тело со стороны других тел или полей. Приложение силы обусловливает изменение скорости тела или появление деформаций и механических напряжений. Деформация может возникать как в самом теле, так и в фиксирующих его объектах — например, пружинах.

Воздействие всегда осуществляется посредством полей, создаваемых телами и воспринимаемых рассматриваемым телом. Различные взаимодействия сводятся к четырём фундаментальным; согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, эти фундаментальные взаимодействия (слабое, электромагнитное, сильное и, возможно, гравитационное) реализуются путём обмена калибровочными бозонами.

Для обозначения силы обычно используется символ F — от лат. fortis (сильный).

Важнейший физический закон, в который входит сила, — второй закон Ньютона. Он гласит, что в инерциальных системах отсчёта ускорение материальной точки по направлению совпадает с приложенной силой, а по модулю пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки.

Слово «сила» в русском языке является многозначным и нередко используется (само или в сочетаниях, в науке и обиходных ситуациях) в смыслах, отличных от физического определения термина.

Энциклопедичный YouTube

  • 1/5 Просмотров:1 062 49 390 3 954 4 326 1 177
  • ✪ Физические качества — простые определения
  • ✪ Физическая Сила Воздержания. Мышечная масса при воздержании.
  • ✪ АБСОЛЮТНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ СИЛА упражнения с использованием подручных средств
  • ✪ Физическая сила и сила энергии | Трансовые советы
  • ✪ НУЖНА ЛИ ПИАНИСТУ ФИЗИЧЕСКАЯ СИЛА? ПИАНИСТЫ-СИЛАЧИ.

Субтитры

  • 1 Общая информация
    • 1.1 Характеристики силы
    • 1.2 Размерность силы
    • 1.3 Равнодействующая системы сил
    • 1.4 Измерение сил
  • 2 Исторический аспект понятия силы
    • 2.1 В древнем мире
    • 2.2 В античности
    • 2.3 В доклассической механике
    • 2.4 У Кеплера
    • 2.5 В классической механике
    • 2.6 У Ньютона
    • 2.7 Современность
  • 3 Ньютоновская механика
    • 3.1 Первый закон Ньютона
    • 3.2 Второй закон Ньютона
    • 3.3 Третий закон Ньютона
  • 4 Фундаментальные взаимодействия
    • 4.1 Гравитация
    • 4.2 Электромагнитное взаимодействие
    • 4.3 Сильное взаимодействие
    • 4.4 Слабое взаимодействие
  • 5 Производные виды сил
  • 6 Сила инерции
  • 7 Примеры сил в природе и технике
  • 8 См. также
  • 9 Примечания
  • 10 Литература

В чем измеряется сила, и что делать, если единицы измерения силы находятся в разных системах? Вам понадобится онлайн-перевод силы, программа, которая расположена ниже.

1 N Ньютон
100000 дин Дина
0.10197162129779 кгс Килограмм-сила
0.001 Стен
0.22480894286018 lbF Фунт-силы
7.2330138512099 pdl Паундаль

Сила — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей.

В чем измеряется сила?

Сила измеряется в ньютонах. Вот определение этой единицы: 1 ньютон равен такой силе, которая сообщает телу, чья масса один килограмм, ускорение, насчитывающее 1 м/с2в. Это ускорение придается в направлении действия силы. Эта единица измерения силы названа в честь английского физика Исаака Ньютона.

Еще одна единица измерения силы – дина. В настоящее время является наименее используемой единицей. Соотношение между диной и ньютоном таково: 1 дина равна 0, 00001 ньютонов.

В чем еще измеряется сила? В килограмм-силах. Соотношение с ньютонами: 1 кгс равен 9, 807 ньютонов. В странах Европы килограмм-силы называются килопондами и обозначаются на письме kp.

А kip обозначается сила в Соединенных Штатах Америки, начиная с двадцатого века. Применяется в среде архитекторов и инженеров. 1 kip равен 4448, 2 ньютонов.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *