Siła jako miara oddziaływań. Równowaga sił. Siła wypadkowa. Wyznaczanie siły wypadkowej
Na tej lekcji dowiesz się, czym jest siła, dlaczego takie znaczenie ma kierunek jej działania, kiedy działanie siły nie przynosi skutku i jak często sprawdza się w codziennym życiu przysłowie: Co dwóch, to nie jeden.
podać definicję ciała i zjawiska fizycznego;
rozpoznawać różne rodzaje oddziaływań oraz określać ich źródła na podstawie obserwowanych skutków;
podawać przykłady oddziaływań bezpośrednich i na odległość;
stwierdzić, że oddziaływania są zawsze wzajemne.
podawać definicję siły jako wielkości fizycznej;
podawać nazwę i definicję jednostki siły;
wymieniać cechy siły jako wielkości wektorowej;
mierzyć siłę za pomocą siłomierza;
podawać cechy sił równoważących się;
przedstawiać graficznie siły równoważące się;
podawać przykłady działania sił równoważących się występujące w życiu codziennym;
określać cechy siły wypadkowej;
podawać przykłady działania sił wypadkowych, zaczerpnięte z życia codziennego.
wyznaczać siłę wypadkową w prostych sytuacjach.
1. Siła jako miara oddziaływania
Na poprzednich lekcjach dowiedziałeś się, że w codziennym życiu można zaobserwować skutki działania jednych ciał na drugie. Jeśli zaczniemy pchać samochód, to przy zwolnionym hamulcu ręcznym zacznie on się poruszać. Jeżeli będziemy ciągnąć sanki – również wprawimy je w ruch. Skutkiem działania jednego ciała na drugie może więc być zmiana stanu ruchu – nieruchome dotąd ciało zacznie się poruszać. Aby zatrzymać piłkę zmierzającą prosto do bramki, trzeba podziałać na tę piłkę tak, aby ta się zatrzymała lub zmieniła tor ruchu. Kiedy pociągniemy za jeden koniec sprężyny, zacznie się ona wydłużać. Natomiast kiedy zadziałamy w przeciwną stronę, czyli ściśniemy sprężynę, to ona się skróci.
Czy działanie jednego ciała na drugie jest zawsze takie samo? Czasem mówimy, że działamy „silniej”, a czasem – że „słabiej”. Najczęściej oceniamy to po skutkach. Aby zatrzymać piłkę, musimy zadziałać siłą skierowaną przeciwnie do siły użytej w czasie rozpędzenia piłki. To znaczy, że efekt naszego działania zależy od tego, jaka jest siła naszego działania i jaki ma kierunek . Oczywiście, aby rozpędzić (lub zatrzymać) piłkę, musimy na nią podziałać. Ale czy nasze działanie zawsze czymś skutkuje? Jeżeli dwóch chłopców ciągnie rower w przeciwne strony, to on może się nie poruszyć. Jeśli zaś takich jednoczesnych oddziaływań jest więcej, ich skutek będzie inny, niż w przypadku jednego oddziaływania. Co zatem jest miarą oddziaływań? Na lekcjach fizyki mówimy, że działamy na ciało pewną siłą. Siła ta może być większa lub mniejsza.
Siła to wielkość fizyczna, która jest miarą wzajemnego oddziaływania ciał.
Siłę oznaczamy dużą literą . Na cześć sirIzaaka NewtonaIzaaka Newtona, twórcy zasad dynamiki stanowiących podstawy dla mechaniki klasycznej, jednostkę siły nazwano niutonem:
(co oznacza: jednostką siły jest jeden niuton).
Aby lepiej uzmysłowić sobie wielkość tego oddziaływania, można powiedzieć, że odpowiada sile, z jaką Ziemia przyciąga tabliczkę czekolady, która spoczywa na jej powierzchni (a dokładniej: taka tabliczka musiałaby mieć masę 102 g).
Siła jest wielkością wektorową.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Na animacji wyjaśniono, dlaczego siła jest wartością wektorową oraz opisano jej cechy: kierunek, zwrot, wartość oraz punkt przyłożenia.
Każda siła ma cztery cechy: wartość, kierunek, zwrot i punkt przyłożenia. Kiedy opisujemy określoną siłę, powinniśmy podać te cztery cechy. Kierunek wektora to prosta, na której leży dany wektor (np. pionowy, poziomy lub ukośny).
Dwa wektory mające ten sam kierunek (położone na tej samej prostej) mogą mieć zgodne albo przeciwne zwroty. Wektor może mieć np. zwrot: w prawo, lewo, w górę lub dół. Zwrot wektora oznaczamy grotem strzałki. Siłę o większej wartości rysujemy jako strzałkę dłuższą. Wektor (strzałka) rozpoczyna się w punkcie przyłożenia siły, czyli w miejscu, na które ona działa.
Siła jest miarą pewnego oddziaływania. Przypomnij sobie, jakie oddziaływania występują w przyrodzie i podaj nazwy sił będących ich miarą.
2. Jak można zmierzyć siłę?
Wszystkie wielkości fizyczne można mierzyć lub wyznaczać. Czy da się to zrobić w przypadku działającej siły? Przeprowadźmy wspólnie eksperyment.
Pomiar siły za pomocą samodzielnie zbudowanego urządzenia do jej pomiaru (siłomierza).
sprężynka;
pięć ciężarków, każdy o masie 100 g;
statyw z uchwytami;
kartka papieru milimetrowego przyklejona do tekturki lub linijka.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Jak skonstruować własny siłomierz?
Zaczep jeden koniec sprężynki o ramię statywu.
Obciąż sprężynkę ciężarkiem o masie 100 g.
Na kartce papieru lub linijce oznacz położenie ciężarka (będzie ono odpowiadać sile 1 N).
Dokładaj kolejne ciężarki i powtarzaj czynności opisane w punktach od 2 do 4, odpowiednio dla dwóch (2 N), trzech (3 N), czterech (4 N) i pięciu (5 N) ciężarków.
Dokonaj pomiaru wybranego ciała o małej masie, np. długopisu.
Przyrządem do mierzenia siły, który właśnie skonstruowałeś, jest siłomierzsiłomierz. Za pomocą tego urządzenia możesz mierzyć ciężary ciał, których masa nie przekracza wartości pół kilograma!
Siłomierz jest przyrządem służącym do pomiaru wartości działającej siły.
Oceń prawdziwość zdań.
| Prawda | Fałsz | |
| Siła nie jest wielkością fizyczną, ale jest wielkością wektorową. | □ | □ |
| Przyrządem służącym do pomiaru siły jest siłomierz. | □ | □ |
| Jednostką siły jest 1 N. | □ | □ |
| Siła jest miarą wzajemnego oddziaływania ciał. | □ | □ |
| Zwrot wektora oznaczamy za pomocą grotu umieszczonego na jego końcu. | □ | □ |
3. Siła wypadkowa
Gdy chcesz przenieść lub przesunąć ciężki przedmiot, robisz to zazwyczaj z drugą osobą. Dlaczego możemy przesunąć szafę wspólnym wysiłkiem, ale nie jesteśmy w stanie zrobić tego w pojedynkę? Przyjrzyjmy się temu zagadnieniuz punktu widzenia fizyka.
Sytuacja ulega zmianie, gdy z pomocą przychodzi nam kolega.
Kiedy w przesuwaniu szafy biorą udział dwie osoby, działa dodatkowa siła, która jest przyłożona do tego samego ciała, jest położona na tej samej prostej i ma ten sam zwrot co siła, z którą działa tylko jedna osoba. Jeśli przyjmiemy, że siła wywierana przez pierwszą osobę wynosiła 250 N, a przez drugą – 200 N, to efekt ich wspólnego wysiłku byłby taki sam, jak gdyby jedna osoba pchała szafę z siłą 450 N. Dwie siły można zatem w tym przypadku zastąpić jedną – będącą ich sumą.
– siła, która zastępuje działanie kilku innych sił działających na dane ciało i wywołuje taki sam skutek, jak one. Poszczególne siły nazywamy siłami składowymi.
Wartość siły wypadkowej jest sumą wartości sił składowych, jeżeli zwroty tych sił są zgodne. Jeżeli zwroty są przeciwne, to siła wypadkowa jest różnicą wartości sił składowych. Kierunki tych sił muszą być równoległe.
Podaj dwa przykłady, w których na dane ciało działa kilka sił, a skutek tego oddziaływania można byłoby opisać działaniem jednej siły wypadkowej.
4. Równowaga sił
Jeżeli na ciało działają różne siły i wartość ich siły wypadkowej równa jest 0 N, to ciało znajduje się w stanie równowagi.
Sportowiec utrzymuje się na poręczy, ponieważ ciężar jego ciała jest równoważony przez dwie siły działające w górę, będące reakcją poręczy na nacisk rąk mężczyzny.
Jak pamiętamy, siła jest wielkością wektorową, a więc określa ją nie tylko wartość, lecz także kierunek, zwrot i punkt przyłożenia. Z powyższego rysunku widać, że aby dwie siły mogły się zrównoważyć, muszą one działać wzdłuż tego samego kierunku, mieć wspólny punkt przyłożenia, taką samą wartość (długość wektora), ale przeciwne zwroty.
Jeśli siły działające na ciało się równoważą, to siła wypadkowa będąca ich sumą jest równa 0 N. Równoważyć mogą się tylko siły przyłożone do tego samego ciała.
Podaj trzy przykłady, w których na ciało działają co najmniej dwie siły równoważące się.
Równowaga sił oznacza, że
- suma sił działających na ciało jest równa 0 N.
- siła wypadkowa ma wartość różną od 0 N.
- dwie siły się równoważą, gdy mają takie same wartości.
- suma wektorów składowych jest równa 0 N.
5. Działania na wektorach
Wielkości fizyczne dzielimy na skalarne i wektorowe. Aby opisać wielkość skalarną wystarczy podać wartość liczbową wraz z odpowiednią jednostką. Przykładami skalarnych wielkości fizycznych są temperatura, masa i gęstość. Kiedy podajemy wartość jednoznacznie określamy obserwowaną wartość temperatury. Informacja taka nie jest jednak wystarczająca do opisu wszystkich wielkości fizycznych. Stwierdzenie, że samochód porusza się z szybkością , nie niesie ze sobą informacji, wzdłuż jakiego kierunku przemieszcza się ten pojazd ani czy jedzie on do przodu, czy – do tyłu.
Do opisu prędkości potrzebujemy wektorowej wielkości fizycznej, której ilustracją graficzną jest skierowana w określonym kierunku strzałka (wektor). Należy jednak pamiętać o zasadzie, że im większa jest wartość wielkości wektorowej, tym dłuższa powinna być strzałka, która ją ilustruje. Jeżeli rysujemy dwa wektory, z których pierwszy ma dwa razy większą wartość niż drugi, to strzałka przedstawiająca pierwszy wektor powinna być dwa razy dłuższa.
Szybkość i prędkość to nie są jednoznaczne pojęcia. Szybkością przyjęło się nazywać wartość prędkości, np. (skalar), a prędkością – wielkość wektorową mającą określone: kierunek, wartość i zwrot. Zamiast pojęcia „szybkość” w tym podręczniku będziemy używali sformułowania „wartość prędkości” wszędzie tam, gdzie konieczne będzie rozróżnienie wielkości skalarnej od wektorowej.
Na wektorach można przeprowadzać działania matematyczne:
Mnożenie wektora przez liczbę; może ono wpłynąć na długość wektora i jego zwrot, ale nie zmienia kierunku i punktu przyłożenia.
Dodawanie wektorów
(dla uproszczenia będziemy się posługiwali jedynie wektorami o takim samym kierunku).
Odejmowanie wektorów położonych na jednej prostej.
Powyższy przykład pomoże ci zrozumieć lekcje z kinematyki w następnym semestrze. Zajmiemy się wtedy opisem ruchu, w którym prędkość (będąca również wektorem) będzie rosła lub malała. Aby obliczyć zmianę prędkości, będziemy odejmować wektor prędkości początkowej od wektora prędkości końcowej.
Podsumowanie
Siła to wielkość fizyczna, która jest miarą wzajemnego oddziaływania ciał.
Siłę oznaczamy dużą literą (z ang. force – siła). Na cześć Izaaka Newtona jednostkę siły nazwano niutonem:
.Siła jest wielkością wektorową. Aby w pełni opisać siłę musimy podać jej wartość (długość wektora), kierunek, zwrot i punkt przyłożenia.
Siłomierz jest przyrządem służącym do wyznaczania, z jaką wartością działa siła.
Siłę, która zastępuje działanie kilku innych sił działających na dane ciało, nazywamy wypadkową, natomiast poszczególne siły – składowymi.
Siła wypadkowa jest wektorową sumą sił składowych.
Jeśli siły działające na ciało się równoważą, to siła wypadkowa będąca ich sumą równa jest .
Dwie siły równoważą się, gdy działają wzdłuż tego samego kierunku, mają wspólny punkt przyłożenia (działają na to samo ciało), mają taką samą wartość (długość wektora), ale przeciwne zwroty.
Siła wypadkowa dwóch sił znajdujących się na tej samej prostej i zwróconych w przeciwne strony jest równa 150 N, a większa ze składowych ma wartość 400 N. Oblicz wartość mniejszej siły i przedstaw graficznie opisaną sytuację.
Przedstaw na rysunku cztery siły o wartościach: 3, 6, 7 i 10 N przyłożone w jednym punkcie tego samego ciała. Siły działają wzdłuż jednej prostej i się równoważą.
Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:
Pomiary w fizyce. Niepewność pomiaru. Przeliczanie wielokrotności i podwielokrotnościPomiary w fizyce. Niepewność pomiaru. Przeliczanie wielokrotności i podwielokrotności
Zadania podsumowujące
Zaznacz poprawne odpowiedzi.
- Siła jest wielkością wektorową, ponieważ do jej opisu potrzebne są cztery cechy: kierunek, zwrot, wartość oraz punkt przyłożenia.
- Siła o wartości 1 N to siła, z jaką Ziemia przyciąga ciało o masie 1 kg.
- Siła jest miarą tylko oddziaływań grawitacyjnych i elektrycznych.
- Siła jest miarą wzajemnego oddziaływania ciał.
- Siła jest miarą dowolnego oddziaływania w przyrodzie.
- Siła ma tylko wartość. Kierunek i zwrot są zbędne do opisu siły.
- Siła wypadkowa to siła, która zastępuje kilka różnych sił działających na ciało.
- Jeżeli siły działają w tę samą stronę wzdłuż tego samego kierunku, to ich wypadkowa jest różnicą wartości tych sił.
- Jeżeli siły działają wzdłuż tego samego kierunku w przeciwne strony, to ich wypadkowa jest różnicą wartości tych sił.
Które informacje są prawdziwe, a które fałszywe?
| Prawda | Fałsz | |
| Siły równoważą się, gdy zwrócone są w tę samą stronę. | □ | □ |
| Siły równoważą się, gdy ich siła wypadkowa ma wartość równą 0 N. | □ | □ |
| Siły mogą się równoważyć tylko wtedy, gdy przyłożone są do tego samego ciała. | □ | □ |
| Siła wypadkowa to siła, która zastępuje kilka różnych sił działających na ciało. | □ | □ |
Słowniczek
– przyrząd służący do pomiaru wartości działającej siły.
Izaak Newton
Angielski fizyk, matematyk, astronom, filozof, historyk, badacz Biblii i alchemik.
W słynnym dziele Philosophiae naturalis principia mathematica (1687 r.) przedstawił prawo powszechnego ciążenia, a także prawa ruchu, które stały się podstawą mechaniki klasycznej. Niezależnie od Gottfrieda Leibniza przyczynił się do rozwoju rachunku różniczkowego i całkowego.