Основные типы сил в механике

 Силы в природе

При рас­смот­ре­нии ме­ха­ни­че­ских задач боль­шин­ство сил, дей­ству­ю­щих на тела, можно от­не­сти к трем ос­нов­ным раз­но­вид­но­стям:

- сила все­мир­но­го тя­го­те­ния;

- сила тре­ния;

- сила упру­го­сти.

Рас­смот­рим па­де­ние неко­е­го тела с вы­со­ты без на­чаль­ной ско­ро­сти (Рис. 1).

Рис. 1. Па­де­ние тела с вы­со­ты без на­чаль­ной ско­ро­сти

Все окру­жа­ю­щие нас тела при­тя­ги­ва­ют­ся к Земле, это обу­слов­ле­но дей­стви­ем сил все­мир­но­го тя­го­те­ния. Если мы будем пре­не­бре­гать со­про­тив­ле­ни­ем воз­ду­ха, то мы уже знаем, что все тела па­да­ют на Землю с оди­на­ко­вым уско­ре­ни­ем – уско­ре­ни­ем сво­бод­но­го па­де­ния.

Тело, под­ве­шен­ное на пру­жине ди­на­мо­мет­ра (рис. 2):

Рис. 2. Тело, под­ве­шен­ное на пру­жине ди­на­мо­мет­ра

Как и вся­кий пред­мет, тело, под­ве­шен­ное на пру­жине, стре­мит­ся упасть вниз из-за при­тя­же­ния Земли, но, когда пру­жи­на рас­тя­нет­ся до неко­то­рой длины, тело оста­нав­ли­ва­ет­ся, то есть при­хо­дит в со­сто­я­ние ме­ха­ни­че­ско­го рав­но­ве­сия. Мы уже знаем, что ме­ха­ни­че­ское рав­но­ве­сие на­сту­па­ет, когда сумма сил, дей­ству­ю­щих на тело, равна нулю. Это озна­ча­ет, что сила тя­же­сти, дей­ству­ю­щая на груз, долж­на урав­но­ве­сить­ся с неко­то­рой силой, дей­ству­ю­щей со сто­ро­ны пру­жи­ны. Эта сила, на­прав­лен­ная про­тив силы тя­же­сти и дей­ству­ю­щая со сто­ро­ны пру­жи­ны, на­зы­ва­ет­ся силой упру­го­сти.

Дви­же­ние тела по ше­ро­хо­ва­той по­верх­но­сти с неко­то­рой на­чаль­ной ско­ро­стью (Рис. 3):

Рис. 3. Дви­же­ние тела по ше­ро­хо­ва­той по­верх­но­сти с неко­то­рой на­чаль­ной ско­ро­стью

Прой­дя неко­то­рое рас­сто­я­ние, тело оста­нав­ли­ва­ет­ся, ско­рость тела умень­ша­ет­ся от на­чаль­но­го зна­че­ния до нуля, то есть уско­ре­ние тела – ве­ли­чи­на от­ри­ца­тель­ная. Сле­до­ва­тель­но, на тело со сто­ро­ны по­верх­но­сти дей­ству­ет сила, ко­то­рая стре­мит­ся оста­но­вить это тело, то есть дей­ству­ет про­тив его ско­ро­сти. Эта сила на­зы­ва­ет­ся силой тре­ния.  

Рас­смот­рим более по­дроб­но силу упру­го­сти.

Любое твер­дое тело ока­зы­ва­ет про­ти­во­дей­ствие по­пыт­кам из­ме­нить его раз­ме­ры или форму. Из­ме­не­ние раз­ме­ров или формы твер­до­го тела на­зы­ва­ет­ся де­фор­ма­ци­ей. Су­ще­ству­ет пять ос­нов­ных видов де­фор­ма­ции:

Рас­тя­же­ние

Сжа­тие

Кру­че­ние

Изгиб

Сдвиг                                                                                               

Любые де­фор­ма­ции, ве­ли­чи­на ко­то­рых мала по срав­не­нию с раз­ме­ра­ми тела, вы­зы­ва­ют внут­ри этого тела по­яв­ле­нию сил упру­го­сти, ко­то­рые стре­мят­ся вер­нуть это тело в из­на­чаль­ное по­ло­же­ние. Нас ин­те­ре­су­ют де­фор­ма­ции рас­тя­же­ние и сжа­тие, по­сколь­ку осталь­ные виды де­фор­ма­ций фи­зи­че­ски со­вер­шен­но ана­ло­гич­ны, а их ма­те­ма­ти­че­ское опи­са­ние го­раз­до более слож­но.

Сила упру­го­сти под­чи­ня­ет­ся за­ко­ну, ко­то­рый был от­крыт экс­пе­ри­мен­таль­но ан­глий­ским уче­ным Ро­бер­том Гуком в 1660 году (рис. 4).

Рис. 4. Экс­пе­ри­мент Ро­бер­та Гука

Твер­дый стер­жень под­вер­гал­ся де­фор­ма­ции рас­тя­же­ния, при этом из­ме­ря­лась сила упру­го­сти, воз­ни­ка­ю­щая в стержне. Для ко­ли­че­ствен­но­го опи­са­ния де­фор­ма­ции стерж­ня ис­поль­зу­ет­ся ве­ли­чи­на – удли­не­ние, то есть раз­ность между дли­ной стерж­ня в рас­тя­ну­том и не рас­тя­ну­том со­сто­я­нии. Ока­за­лось, что при малых де­фор­ма­ци­ях ве­ли­чи­на силы упру­го­сти прямо про­пор­ци­о­наль­на удли­не­нию. На­прав­ле­ние силы упру­го­сти про­ти­во­по­лож­но пе­ре­ме­ще­нию про­ти­во­по­лож­но­го конца стерж­ня, ко­эф­фи­ци­ент упру­го­сти или ко­эф­фи­ци­ент жест­ко­сти за­ви­сит от раз­ме­ров стерж­ня и ма­те­ри­а­ла, из ко­то­ро­го он из­го­тов­лен.

Про­ве­рим роль этого ко­эф­фи­ци­ен­та на опыте.

К трем раз­лич­ным пру­жи­нам под­ве­сим груз оди­на­ко­во­го веса в 1 нью­тон (Рис. 5). Мы уви­дим, что три пру­жи­ны рас­тя­нут­ся на раз­ную ве­ли­чи­ну. Есте­ствен­но, что пру­жи­на, у ко­то­рой жест­кость наи­боль­шая, рас­тя­нет­ся на наи­мень­шую ве­ли­чи­ну и пру­жи­на, жест­кость у ко­то­рой наи­мень­шая, будет рас­тя­ну­та боль­ше всего. Ве­ли­чи­на удли­не­ния яв­ля­ет­ся по­ло­жи­тель­ной при рас­тя­же­нии стерж­ня и от­ри­ца­тель­ной при сжа­тии.

Рис. 5. Опыт с пру­жи­на­ми

Фор­му­ла Fупр = - kx пред­став­ля­ет ма­те­ма­ти­че­скую за­пись за­ко­на Гука, знак минус в фор­му­ле от­ра­жа­ет тот факт, что сила упру­го­сти про­ти­во­по­лож­на пе­ре­ме­ще­нию сво­бод­но­го конца стреж­ня. Закон Гука гла­сит:

Сила упру­го­сти, воз­ни­ка­ю­щая в стержне при его малой де­фор­ма­ции, прямо про­пор­ци­о­наль­на ве­ли­чине его удли­не­ния и на­прав­ле­на в сто­ро­ну, про­ти­во­по­лож­ную пе­ре­ме­ще­нию сво­бод­но­го конца стерж­ня.

Что же слу­жит при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния сил упру­го­сти? Как мы пом­ним, все ве­ще­ства со­сто­ят из мо­ле­кул, между ко­то­ры­ми дей­ству­ют силы при­тя­же­ния и от­тал­ки­ва­ния. При­чем силы при­тя­же­ния на­чи­на­ют иг­рать за­мет­ную роль, когда рас­сто­я­ние между двумя мо­ле­ку­ла­ми пре­вы­ша­ет неко­то­рое рав­но­вес­ное зна­че­ние, а силы от­тал­ки­ва­ния на­чи­на­ют иг­рать за­мет­ную роль, когда это рас­сто­я­ние мень­ше рав­но­вес­но­го зна­че­ния (рис. 6).    

         

Рис. 6. Вза­и­мо­дей­ствие сил при­тя­же­ния и от­тал­ки­ва­ния

Рас­тя­же­ние стерж­ня как раз и озна­ча­ет уве­ли­че­ние рас­сто­я­ния между мо­ле­ку­ла­ми, сжа­тие же стерж­ня озна­ча­ет умень­ше­ние этих рас­сто­я­ний. Таким об­ра­зом, мы можем сде­лать вывод, что сила упру­го­сти яв­ля­ет­ся след­стви­ем на­ли­чия меж­мо­ле­ку­ляр­но­го вза­и­мо­дей­ствия. На малых рас­сто­я­ни­ях мо­ле­ку­лы от­тал­ки­ва­ют­ся, на боль­ших рас­сто­я­ни­ях при­тя­ги­ва­ют­ся.

 Примеры задач

Раз­бе­рем два при­ме­ра, ко­то­рые по­мо­гут нам в ре­ше­нии задач.

1. Если груз с неко­то­рой мас­сой по­ло­жить на го­ри­зон­таль­ную по­верх­ность, то этот груз  нач­нет ока­зы­вать на по­верх­ность дав­ле­ние, силу этого дав­ле­ния на­зы­ва­ют весом груза (рис. 7).

Рис. 7. При­мер за­да­чи на силу ре­ак­ции опоры

Под дей­стви­ем этой силы дав­ле­ния опора нач­нет де­фор­ми­ро­вать­ся, если го­во­рить о виде де­фор­ма­ции, то это будет де­фор­ма­ция сжа­тия. В ре­зуль­та­те этой де­фор­ма­ции внут­ри опоры воз­ник­нут силы упру­го­сти, ко­то­рые будут стре­мить­ся умень­шить эту де­фор­ма­цию. Эти силы будут на­прав­ле­ны про­тив силы дав­ле­ния груза, Эту силу упру­го­сти, ко­то­рая воз­ни­ка­ет в опоре при дав­ле­нии на нее груза, на­зы­ва­ют силой ре­ак­ции опоры. Аб­со­лют­но такая же сила ре­ак­ции воз­ни­ка­ет, если груз давит на не го­ри­зон­таль­ную опору.  

2. Под­вес под­вер­га­ет­ся де­фор­ма­ции рас­тя­же­ния (рис. 8).

Рис. 8. При­мер на силу ре­ак­ции под­ве­са

Силу упру­го­сти, воз­ни­ка­ю­щую в под­ве­се, на­зы­ва­ют силой ре­ак­ции под­ве­са, ино­гда силой на­тя­же­ния. Важно знать осо­бен­ность сил упру­го­сти, ко­то­рая воз­ни­ка­ет при кон­так­те двух мак­ро­ско­пи­че­ских тел: в этом слу­чае сила упру­го­сти все­гда будет пер­пен­ди­ку­ляр­на по­верх­но­сти со­при­кос­но­ве­ния. Если же речь идет о тон­ких телах, то есть стерж­ни, шнуры, то в них сила упру­го­сти будет все­гда на­прав­ле­на вдоль осей этих тел.

 Прикладное значение силы упругости

Нель­зя обой­ти вни­ма­ни­ем одно из про­стых, но важ­ных при­ме­не­ний силы упру­го­сти, а имен­но из­ме­ре­нии сил в ме­ха­ни­ке. При­бор для из­ме­ре­ния силы на­зы­ва­ет­ся ди­на­мо­мет­ром. Самый про­стой ди­на­мо­метр изоб­ра­жен на Рис. 9. Если к сво­бод­но­му концу пру­жи­ны при­ло­жить неко­то­рую силу, то пру­жи­на под­вер­га­ет­ся де­фор­ма­ции рас­тя­же­ния. Если к каж­до­му зна­че­нию удли­не­ния пру­жи­ны под­ста­вить зна­че­ние силы в нью­то­нах, то мы можем про­гра­ду­и­ро­вать этот при­бор. После этого мы по­лу­чим пол­но­цен­ный при­бор для из­ме­ре­ния сил. Этот при­бор ха­рак­те­рен тем, что силы будут из­ме­рять­ся, если груз под­ве­сить к пру­жине. Су­ще­ству­ет и дру­гая раз­но­вид­ность ди­на­мо­мет­ра, ко­то­рая может из­ме­рять силы не толь­ко при под­ве­ши­ва­нии, но и при за­креп­ле­нии его свер­ху (Рис. 9).                       

Рис. 9. Ди­на­мо­метр де­мон­стра­ци­он­ный

 Задача 1

Рас­смот­рим за­да­чу о дви­же­нии тела под дей­стви­ем силы упру­го­сти в слу­чае от­сут­ствия дру­гих сил, ско­рость дви­же­ния тела и сила упру­го­сти на­прав­ле­ны вдоль одной и той же пря­мой (рис. 10).

Рис. 10. За­да­ча 1

Мо­де­лью такой за­да­чи может слу­жить тело, ле­жа­щее на глад­кой го­ри­зон­таль­ной по­верх­но­сти и при­креп­лен­ное к пру­жине. Глад­кость по­верх­но­сти нам необ­хо­ди­ма, чтобы пре­не­бречь тре­ни­ем между по­верх­но­стью и телом. Пред­по­ло­жим, что в неко­то­рый на­чаль­ный мо­мент вре­ме­ни мы от­тя­ну­ли тело на неко­то­рое рас­сто­я­ние от пер­во­на­чаль­но­го по­ло­же­ния тела и от­пу­сти­ли.

В со­от­вет­ствии со вто­рым за­ко­ном Нью­то­на тело дви­жет­ся так, что его уско­ре­ние равно от­но­ше­нию рав­но­дей­ству­ю­щей всех сил, дей­ству­ю­щих на тело, к его массе. При этом нет необ­хо­ди­мо­сти рас­смат­ри­вать вер­ти­каль­но на­прав­лен­ные силы, по­сколь­ку они вза­им­но ском­пен­си­ро­ва­ны и про­ек­ция уско­ре­ния на вер­ти­каль­ное на­прав­ле­ние равна нулю. Сле­до­ва­тель­но, необ­хо­ди­мо рас­смот­реть лишь го­ри­зон­таль­ные силы и про­ек­цию уско­ре­ния. В го­ри­зон­таль­ном на­прав­ле­нии дей­ству­ет лишь сила упру­го­сти, по­это­му урав­не­ние дви­же­ния будет вы­гля­деть таким об­ра­зом: масса тела, умно­жен­ная на про­ек­цию го­ри­зон­таль­но­го уско­ре­ния, будет равна -kx, где -kx и есть сила упру­го­сти Fупр, дей­ству­ю­щая со сто­ро­ны пру­жи­ны.

Решив это урав­не­ние, мы могли бы пол­но­стью опи­сать дви­же­ние тела, но про­цесс ре­ше­ния был бы за­труд­ни­те­лен из-за того, что, как мы видим из урав­не­ния, уско­ре­ние прямо про­пор­ци­о­наль­но удли­не­нию пру­жи­ны. Удли­не­ние по­сто­ян­но ме­ня­ет­ся с те­че­ни­ем вре­ме­ни, сле­до­ва­тель­но, и уско­ре­ние так же будет ме­нять­ся со вре­ме­нем. В этой за­да­че мы стал­ки­ва­ем­ся с новым типом дви­же­ния, в ко­то­ром уско­ре­ние не по­сто­ян­но. Пока тео­ре­ти­че­ски мы его изу­чить не можем, изу­чим его на опыте – при про­ве­де­нии экс­пе­ри­мен­та можно об­на­ру­жить, что дви­же­ние тела носит пе­ри­о­ди­че­ский ха­рак­тер, то есть оно дви­га­ет­ся впра­во и влево, по­сто­ян­но по­вто­ряя свое дви­же­ние. Такое дви­же­ние в ме­ха­ни­ке на­зы­ва­ют ко­ле­ба­тель­ным, и в по­сле­ду­ю­щих уро­ках мы изу­чим его более по­дроб­но.


 Задача 2

На ри­сун­ке 11 пред­став­лен гра­фик за­ви­си­мо­сти мо­ду­ля силы упру­го­сти от удли­не­ния пру­жи­ны. Ка­ко­ва жест­кость пру­жи­ны?

При­ве­де­ны че­ты­ре ва­ри­ан­та от­ве­та:

1. 750 Н/м;  2. 75 Н/м; 3. 0,13 Н/м; 4. 15 Н/м.

Рис. 11. За­да­ча 2

Вос­поль­зу­ем­ся ма­те­ма­ти­че­ской за­пи­сью за­ко­на Гука, при­ме­нив опе­ра­цию взя­тия мо­ду­ля к обеим ча­стям ра­вен­ства. По­сколь­ку удли­не­ние пру­жи­ны – ве­ли­чи­на по­ло­жи­тель­ная, в пра­вой части ра­вен­ства мо­дуль можно не пи­сать. Таким об­ра­зом, мы видим, что мо­дуль силы упру­го­сти равен kx, где k – ко­эф­фи­ци­ент жест­ко­сти пру­жи­ны, x – удли­не­ние пру­жи­ны. Вы­бе­рем на гра­фи­ке точку, ко­то­рую смо­жем легко опре­де­лить, пусть это будет точка А. Мы видим, что при удли­не­нии пру­жи­ны, рав­ном 8 см, сила упру­го­сти равна 60 Н. Если вос­поль­зо­вать­ся за­пи­сью за­ко­на Гука и раз­де­лить силу упру­го­сти на удли­не­ние пру­жи­ны, то мы бы могли опре­де­лить ко­эф­фи­ци­ент жест­ко­сти. Но нужно учесть, что мы ра­бо­та­ем в си­сте­ме СИ, а гра­фик при­ве­ден таким об­ра­зом, что удли­не­ние дано в сан­ти­мет­рах. Зна­чит до того, как мы будем ис­кать ответ, мы долж­ны пе­ре­ве­сти удли­не­ние в метры. После про­ве­ден­ных пре­об­ра­зо­ва­ний по­лу­чим, что ко­эф­фи­ци­ент жест­ко­сти равен 750 Н/м. Пра­виль­ный ва­ри­ант от­ве­та – номер 1.

Последнее изменение: Среда, 6 Июнь 2018, 16:50