Механични сили; Основни познания по физика
Можете да разпознаете силите по ефектите, които произвеждат. Ако тялото е деформирано или ако скоростта му се промени, винаги е причина за сила. Силите обаче могат да действат и без да променят състоянието на движение на тялото или без то да е (видимо) деформирано. В този случай няколко едновременно действащи сили се отменят взаимно („взаимодействие на няколко сили“).
При стрелба с лък струната е опъната и лъкът е еластично деформиран. Ако пуснете струната, напрежението на лъка ускорява стрелата.
Законите на Нютон¶
Трите принципа, представени накратко по-долу, представляват основата на класическата механика.Те са записани за първи път в тази форма през 1687 г. от Исак Нютон.
1-ви закон на Нютон („закон на инерцията“)
За промяна на състоянието на движение, т.е. ускорението винаги изисква сила. Причината за това се крие в така наречената „инерция“, свойство на всяко тяло да се противопоставя на ускорението поради своята маса. Първоначално Галилео Галилей и Исак Нютон формулират този закон по следния начин:
Когато тялото се движи по права линия с фиксирана скорост, количеството и посоката на движението ще останат постоянни, докато дадена сила не промени своето движение. Фактът, че сме свикнали в ежедневието, че обектите без ускоряващи сили в даден момент сами си почиват, се дължи на силите на триене, които никога не могат да бъдат напълно избегнати, и на въздушното съпротивление. В космоса обаче, в който няма триене поради отсъствието на материя, планетите обикалят около слънцето (ята си) в продължение на много милиони години, без да губят скоростта си.
Спирането на тялото също съответства на (отрицателно) ускорение и съответно изисква сила.
Вторият закон на Нютон ("закон на силата")
Причината за ускорение или деформация обикновено се нарича сила. Количествената връзка между величината на дадена сила и ускорението, причинено от нея, е описана за първи път от Исак Нютон под формата на математическо уравнение.
Размерът на силата е пропорционален на ускорението, което тяло от маса изпитва чрез него: [2]
(1) ¶
Посоката на ускорението съответства на посоката на ускоряващата сила.
Силите са дадени в единица Нютон:
Тяло от маса изпитва ускорение със сила на .
Това важи в космоса, във вакуум и обикновено, когато няма триене. Действителното ускорение може да бъде значително по-ниско на практика поради силите на триене.
съответства на теглото на тежко тяло на земята.
Маса от преживявания с тегло около на земята. При свободно падане земята упражнява ускорение от около (по-точно:) върху вас.
Силите се наричат според тяхната причина (мускулна сила, магнитна сила, двигателна сила и т.н.) или според ефекта им (сила на опън, сила на натиск, движеща сила, сила на деформация и др.).
| сила | Количество сила в |
| Тегло на нормална буква | |
| Тегло на блокче шоколад | |
| Тегло на един литър вода | |
| Тегло на един килограм захар | |
| Тегло на човек | |
| Теглителна сила на автомобил | |
| Теглеща сила на локомотив | |
| Привличане на земята към луната |
Третият закон на Нютон ("сила и противодействие")
Всяка сила има еднакво голяма контрасила. Силата и противодействието имат противоположни посоки и действат върху различни тела - те не могат да се отменят взаимно.
На нишка виси тежест. Конецът предпазва пробата от падане. В него има сила, която е толкова голяма, колкото теглото на тялото. И двете сили се различават по своята посока. Силата в нишката и тежестта имат противоположни посоки, те се отменят взаимно в своя ефект.
Сила и противодействие върху окачена тежест.
Ако отрежете конеца, тялото ще се движи по права линия с постоянно ускорение поради гравитационното привличане на земята (въздушното съпротивление се пренебрегва). Тъй като всички сили действат взаимно, тялото привлича и земята. Земята „пада“ към тялото - но ефектът е толкова малък, че не го забелязваме.
Сума, линия на действие и точка на атака¶
За да може да се предвиди ефектът от дадена сила, човек трябва не само да знае величината („количеството“) на дадена сила, но и да знае в коя точка тя действа и в каква посока действа.
Векторът на силата е ясно дефиниран от неговото количество, неговата линия на действие и точката му на приложение.
В координатните системи и чертежите силите обикновено са представени със стрелки („вектори“). Прилага се следното:
- Дължината на стрелката показва в определен мащаб (например) размера на силата. Изборът на мащаб е произволен, но трябва да се прилага еднакво за всички сили в чертежа.
- Началната точка на стрелката е същата като точката на прилагане на силата.
- Посоката на стрелката съответства на линията на действие на силата.
С подходящо предаване на силата, векторът на силата може да бъде изместен по линията на действие, без да променя нищо във физическия ефект на силата.
Предаване на мощност с въже, пръчка и верига
В много случаи е полезно да се остави сила да действа „от разстояние“, т.е. да се премести точката на прилагане по линията на действие.
- Силите на опън могат да бъдат прехвърлени на друго тяло с помощта на въжета и вериги,
- Чрез пръти - и до известна степен и с жици - както силите на опън, така и силите на натиск могат да бъдат прехвърлени на друго тяло.
Зъбните колела и стелажите обикновено се използват в трансмисиите за предаване на мощност.
Деформация и еластичност¶
В допълнение към скоростта, силите могат да променят и формата на тялото. В зависимост от материала на тялото, деформациите са възможни по два различни начина:
В случай на еластичен процес деформацията на тялото отстъпва, когато деформиращата сила отслабне. Типичен еластичен материал е каучукът, но много метали (например стомана) също имат еластичен ефект, ако силата не е твърде голяма.
Пример: Гумена топка се връща в първоначалната си форма, когато върху нея вече не действат сили.
При пластичен процес деформацията остава, когато силата вече не е ефективна. Типични пластмасови материали са моделираща глина, восък, глина, олово и др.
Пример: Остава деформацията на компресирана топка от восък или моделираща глина.
Няма тъкан, която да е напълно еластична или напълно нееластична. Ако действат само малки сили, медта например се държи еластично. С големи сили се държи пластично.
Измерване на силата
Деформиращият ефект на силата често се използва за измерване на механичната сила. Колкото повече усуквате спирална пружина или я разкъсвате, например, толкова по-голямо е напрежението, с което пружината се противопоставя на деформацията. Ако има подходяща скала върху пружина, силата, действаща върху нея, може да бъде отчетена директно. Тъй като пружината не може да бъде опъната по желание, има пружинни динамометри с различна твърдост на пружината и скали, които са подходящи за различни обхвати на измерване.
Пример за пружинен динамометър.
В случай на движещи се тела, например автомобили, силата може да се определи от промяна в скоростта на тялото - но за това трябва да се знае масата на тялото. Ако измерите промяната в скоростта и времето, необходимо за нея, можете да изчислите ускорението и, като го вмъкнете в уравнение (1), ще получите ефективната сила:
Привидни сили¶
С помощта на законите на Нютон движението на тялото може да бъде адекватно описано в референтна система в покой или в референтна система, която е права с постоянна скорост (така наречената "инерционна система"). В една ускорена референтна система обаче трябва да се вземат предвид така наречените „привидни сили“, за да се опишат движенията.
Например, ако се намирате в постоянно движещ се или неподвижен вагон на влака и хвърлите топката вертикално във въздуха, тя отново ще кацне в ръката ви. Ако обаче влакът се ускорява, след като топката е напуснала ръката, тогава от гледна точка на ускорителя, хвърлен от влака, изглежда, че се отдалечава от ръката в хода на полета. Така че, докато за външен наблюдател влакът се отдалечава изпод топката, която се движи равномерно в хоризонтална посока, наблюдателят във влака трябва да измисли сила върху топката, която е противоположна на ускорението на влака, за да може да предвиди правилно движението на топката.
Сила, която се появява само в ускорена референтна система, се нарича привидна сила. Той е равен на произведението на масата на ускорения обект и ускорение, което е равно на ускорението на еталонната система, но действа в обратна посока:
Важна привидна сила е инерционната сила, която се появява, например, когато превозните средства се ускоряват или спират. Специален случай на този инерционен ефект е центробежната сила при кръгово движение. Инерционните сили се използват и в технически приложения, когато трябва да се постигне голяма сила чрез бързо спиране на обект, например при чук, натискане и т.н.
Ако наблюдателят и наблюдаваният обект са в ускорена референтна система, те ще изпитат същото ускорение като самия обект.От гледна точка на този наблюдател, обектът е в покой или се движи с постоянна скорост; силите, действащи върху обекта, се събират до нула от гледна точка на съвместния ускорител.
От гледна точка на неподвижен наблюдател, динамиката на обекта (в сравнение с перспективата на съвместно ускорен наблюдател) се различава само по силата на инерцията. По този начин в референтна система в покой трябва да се прилага следното за силите, действащи върху обекта:
Това уравнение е кръстено на откривателя си и обикновено се нарича принцип на Д’Аламбер. Той може да се използва за проследяване на динамичните процеси обратно към статичните условия на равновесие и по този начин за по-лесното им изчисляване.
В математическа нотация това означава, че векторът на скоростта на тялото остава постоянен, когато сумата от всички действащи сили е нула:
Има експерименти и упражнения за този раздел .