Силы

Содержание и основные понятия

← Вернуться к оглавлению
Alterna · физика · 2.3
Силы
Сила тяжести, упругость, вес, равнодействующая, динамометр
Сила — это не просто слово. Это физическая величина, которая двигает, тянет, толкает и останавливает всё вокруг. Разберём семь видов сил и научимся их измерять.
ФГОС · 7 класс
ФОП · базовый
01
Сила
Сила — мера взаимодействия тел.
Что такое сила?
Сила
— это физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое. Сила —
векторная
величина: она имеет модуль, направление и точку приложения.
Обозначение:
F
. Единица:
ньютон (Н)
.
1 Н — это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с².
Виды сил в механике
Сила тяжести
— сила, с которой Земля притягивает тело
Сила упругости
— сила, возникающая при деформации
Вес тела
— сила, с которой тело действует на опору или подвес
Сила трения
— сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого
Сила реакции опоры
— сила, с которой опора действует на тело
02
Сила тяжести. Явление тяготения
Земля притягивает все тела. Почему?
Закон всемирного тяготения
Сила тяжести
— это сила, с которой Земля притягивает к себе тело.
F = m · g
где g = 9.8 Н/кг — ускорение свободного падения.
Сила тяжести всегда направлена
вниз
, к центру Земли.
🦉
Свободное падение на планетах
IV-016 · Анимация падения с реальным ускорением g
Планета:
Масса m:
10
кг
🎯
Опыт Галилея: два шара падают одновременно
IV-016B · Масса не влияет на ускорение свободного падения
Масса левого:
1
кг
Масса правого:
50
кг
Галилей доказал: все тела падают с одинаковым ускорением. Масса не важна! Нажмите «Бросить шары!»
03
Сила упругости. Закон Гука
Почему пружина растягивается и сжимается?
Сила упругости
Сила упругости
— сила, возникающая в теле при его деформации и стремящаяся вернуть его в исходное состояние.
Закон Гука
F = k · Δl
где k — жёсткость (Н/м), Δl — удлинение (м).
Сила упругости направлена
противоположно
деформации.
🔧
Закон Гука — пружинный динамометр
IV-017 · F = k·Δl, интерактивная пружина
Масса груза m:
1
кг
Жёсткость k:
50
Н/м
04
Вес тела. Связь с силой тяжести
Вес — это не масса! Разница важна.
Вес тела
Вес
— это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес.
Вес обозначается
P
, измеряется в ньютонах (Н).
Если тело покоится:
P = F
тяж
= mg
Разница:
сила тяжести приложена к телу, вес — к опоре.
Это любопытно: Невесомость
На орбитальной станции космонавты находятся в невесомости: P = 0. Это не значит, что там нет гравитации! Просто станция и всё внутри неё движутся с одной скоростью, не давя друг на друга.
05
Равнодействующая сила
Что делать, если на тело действует несколько сил?
Равнодействующая
Равнодействующая сила
— это сила, которая заменяет действие нескольких сил, приложенных к телу.
Силы направлены в одну сторону:
R = F₁ + F₂
Силы направлены в противоположные стороны:
R = |F₁ − F₂|
Силы направлены под углом — складываются по правилу параллелограмма
➤
Сложение сил (равнодействующая)
IV-018 · векторный калькулятор сил
F₁:
10
Н
F₂:
5
Н
Направление F₂:
06
Динамометр
Прибор для измерения силы.
Динамометр
Динамометр
— прибор для измерения силы. Основан на законе Гука: пружина растягивается пропорционально приложенной силе.
Шкала проградуирована в ньютонах. Груз массой 1 кг растягивает пружину на силу 9.8 Н ≈ 10 Н.
🔠
Динамометр — измерение силы
IV-020 · интерактивный прибор
Приложить силу F:
5
Н
Ц
Что нужно понимать
Результат 1
Объяснять физический смысл темы «Силы» через модель, а не только через формулу.
Результат 2
Различать и корректно использовать термины: сила, сила тяжести, сила упругости.
Результат 3
Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.
Т
Термины темы
Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.
сила
Векторная мера взаимодействия, вызывающего ускорение тела или его деформацию.
сила тяжести
Сила гравитационного притяжения тела Землёй или другим небесным телом.
сила упругости
Сила, возникающая при деформации и направленная против изменения формы или размеров тела.
вес
Сила, с которой тело вследствие взаимодействий действует на опору или подвес.
равнодействующая
Векторная сумма всех сил, приложенных к выбранному телу.
Ф
Происхождение и вывод формул
Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.
F
тяж
=
m
g
F_{\text{тяж}}=mg
F
тяж
​
=
m
g
следствие модели
Сила тяжести.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
F
⃗
=
m
a
⃗
\vec F=m\vec a
F
=
m
a
Второй закон Ньютона связывает равнодействующую силу с ускорением тела.
a
⃗
=
g
⃗
\vec a=\vec g
a
=
g
​
В модели свободного падения вблизи поверхности Земли тело получает ускорение свободного падения.
F
⃗
тяж
=
m
g
⃗
\vec F_{\text{тяж}}=m\vec g
F
тяж
​
=
m
g
​
Если сопротивлением воздуха пренебречь, это ускорение создаёт сила тяжести.
Условия:
Небольшие высоты около поверхности небесного тела, g считают постоянным; масса тела мала по сравнению с массой планеты.
Контроль:
Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.
F
упр
=
k
Δ
l
F_{\text{упр}}=k\Delta l
F
упр
​
=
k
Δ
l
эмпирический закон
Закон гука.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
F
упр
∼
Δ
l
F_{\text{упр}}\sim\Delta l
F
упр
​
∼
Δ
l
Опыты с пружиной устанавливают пропорциональность модуля силы упругости малому удлинению.
k
=
F
упр
Δ
l
k=\frac{F_{\text{упр}}}{\Delta l}
k
=
Δ
l
F
упр
​
​
Коэффициент пропорциональности k называют жёсткостью пружины.
F
упр
=
k
Δ
l
F_{\text{упр}}=k\Delta l
F
упр
​
=
k
Δ
l
Это эмпирический закон Гука для модулей; направление силы противоположно деформации.
Условия:
Малая упругая деформация в пределах пропорциональности, температура и свойства пружины неизменны; для векторов нужен знак минус.
Контроль:
Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.
R
⃗
=
∑
i
F
⃗
i
\vec R=\sum_i\vec F_i
R
=
i
∑
​
F
i
​
определение
Равнодействующая.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
F
⃗
1
,
F
⃗
2
,
…
\vec F_1,\vec F_2,\ldots
F
1
​
,
F
2
​
,
…
Каждая сила имеет модуль и направление, поэтому силы складывают как векторы.
R
⃗
=
F
⃗
1
+
F
⃗
2
+
…
\vec R=\vec F_1+\vec F_2+\dots
R
=
F
1
​
+
F
2
​
+
…
Вектор R определяют как сумму всех внешних сил. Он полностью описывает их поступательное действие на материальную точку или центр масс; для протяжённого тела необходимо отдельно учитывать суммарный момент сил.
Условия:
Все силы приложены к одному материальному телу; для протяжённого тела при изучении вращения дополнительно учитывают моменты сил.
Контроль:
Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.
!
Границы модели и типичные ошибки
Ошибка: забыть условие модели
Нельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое