Сила в физике - виды, формулы и определения с примерами

Сила трения в повседневной жизни

Еще на уроке физики в 7 классе мы изучили, что трение – это сила между двумя поверхностями, которые скользят или пытаются скользить друг на друге. Звучит немного сложновато, поэтому лучше объяснить на примере.

Что такое трение? В природе это физическое явление отвечает за множество процессов, которые мы наблюдаем каждый день. Мы ходим по земле, белки прыгают на ветках деревьев, вода точит камень, снежная лавина спускается с горы, машина едет по дороге – все это и есть сила трения.

Как действует трение?

Трение всегда действует в направлении, противоположном тому, в котором пытается двигаться объект. То есть трение всегда замедляет передвижение движущегося объекта. Величина трения зависит от материалов, из которых сделаны две поверхности. Чем шершавее поверхность, тем больше будет сила трения.

Хотя две контактирующие поверхности могут казаться очень гладкими, в микроскопическом масштабе они имеют много неровностей и впадин, которые приводят к трению. На практике невозможно создать предмет, имеющий совершенно гладкую поверхность.

Согласно Закону о сохранении энергии ни одна энергия в системе никогда не уничтожается. В большинстве случаев трение производит тепловую энергию, рассеиваемую через среду и сами предметы. Проверить утверждение, что трение производит тепло, достаточно просто. Попытайтесь быстро потереть руки. Вы почти сразу почувствуете, что они станут теплее ваших движений.

Трение – чрезвычайно полезная сила. Оно предотвращает скольжение нашей обуви по поверхности земли во время ходьбы, а также предотвращает скольжение автомобильных шин по дороге. Иногда мы хотим уменьшить силу трения. Например, мы используем масло, чтобы уменьшить трение между движущимися частями двигателя автомобиля, которые со временем могут выходить из строя из-за постоянного взаимодействия. Масло разделяет поверхность и может протекать между ними. Уменьшение трения означает, что движущиеся части автомобиля меньше изнашиваются и выделяется меньше тепла.

Шизофрения пожилого возраста

Шизофрения в старческом возрасте – явление также очень редкое. Проблема состоит в том, что ее симптомы принимают за старческое слабоумие, пока не появятся стойкий бред и галлюцинации.

Шизофрения у пожилого человека начинает проявляться с подозрительности и опасений, что ему хотят навредить, его хотят обидеть. Такой больной с настороженностью относится к людям, как правило, с агрессией. Предполагая опасность от каждого постороннего, человек изолируется от общества, замыкается в себе и прячется от всего мира. Становится, что называется, «противным старикашкой».

Эмоции стариков с шизофренией неадекватны. Они неуместно смеются или плачут, настроение их быстро меняется. В другом случае их поведение отличается застенчивостью, чрезмерной скромностью. Или же наблюдается эмоциональная тупость, безэмоциональность. Искажается речь, она характеризуется скудностью высказываний, спутанностью. Зачастую люди просто отмалчиваются.

Наблюдается эпизодическая дереализация, когда больной не понимает, где он находится, в какой эпохе живет, не узнает близких. Деперсонализация выражается в непонимании кто он сам.

Характерный симптом – явление к больному умерших родственников, друзей, знакомых.

В старческом возрасте чаще остальных развивается параноидная форма заболевания.

Факторы, предопределяющие разницу

Все приборы, которые производят электроэнергию, имеют нулевое соединение с физическим грунтом. Это значит, что существует разница потенциалов между фазным проводом и «землёй», которая равна напряжению фазы. Явление разности потенциала может быть вызвано многими факторами:

локальными авариями электрооборудования;
статическим электричеством;
естественным электрическим потенциалом;
блуждающими токами;
токами, связанными с электрохимической коррозией.

Локальные аварии электрического оборудования сопровождаются: обрывами электрических проводов, частичными пробоями изоляционных подземных кабелей, неисправностью электрооборудования, находящегося в квартире. Сантехническая арматура, которая подключена к полихлорвиниловым трубам, может иметь статический заряд из-за постоянного движение воды по ним. Акриловое покрытие ванн или других ёмкостей накапливает заряд электричества на их поверхностях.

Естественным электрическим потенциалом наделено всё, что находится на земле, а также в её атмосфере, так как земная оболочка имеет отрицательный потенциал, а свод неба — положительный. Чем выше находится физическое тело, тем больше значение его потенциала, например, на высоте 2 м показатель достигает 110 вольт.

Блуждающие токи проявляются на проложенных путях электротранспорта. Рельсы в этом случае выполняют роль заземляющих шин. Через них ток, приводящий в движение электродвигатели вагонов, проникает в землю. Люди, живущие возле трамвайных линий, могут чувствовать пощипывание в пальцах при умывании.

Если система состоит из труб, изготовленных из разных материалов, могут образоваться токи электрохимической коррозии. Они не опасны для человека, но разрушают водопровод и запорную арматуру. При подключении стального полотенцесушителя к линии труб, изготовленных из чёрного металла, со временем в их соединениях образуется течь из-за ослабления резьбы.

Откуда берутся «психопатические погранцы»…

До сегодняшнего дня ученые не могут с полной уверенностью назвать точные причины возникновения пограничных расстройств личности, есть лишь теории:

Предполагают, что заболевание вызывается нарушением баланса химических веществ (нейромедиаторов) в головном мозге пациента. Они ответственны за настроение личности.
Немаловажную роль играет и генетика (наследственная предрасположенность). Как было отмечено выше, чаще заболеванием страдают именно женщины (боле двух третей всех зарегистрированных случаев).
На возникновение заболевания оказывает влияние и характер. Людей с низким уровнем самооценки, повышенной тревожностью, пессимистическим взглядом на жизнь и события, условно можно отнести к группе риска.
Большое значение имеет и детство. Если ребенок пострадал от сексуального насилия или длительное время подвергался физическому и эмоциональному насилию, пережил расставание или утрату родителей, все это может спровоцировать развитие расстройства личности. Но даже в вполне благополучных семьях есть риск развития психического заболевания у ребенка, если родители запрещают ему выражать свои чувства и эмоции, или же были излишне требовательны к нему.

Сила трения

В физике этот вид силового воздействия является не менее частым, чем рассмотренные выше. Возникает трение всегда, когда объект начинает двигаться. В общем случае в физике силу трения принято относить к одному из 3-х типов:

покоя;
скольжения;
качения.

Первые два типа описываются следующим выражением:

Здесь μ — коэффициент трения, значение которого зависит, как от типа силы (покоя или трения), так и от материалов трущихся поверхностей.

Трение качения, ярким примером которого является движущееся колесо, рассчитывается по формуле:

Здесь R — радиус колеса, f — коэффициент, который отличается от μ не только значением, но и размерностью (μ безразмерен, f измеряется в единицах длины).

Любой тип силы трения всегда направлен против движения, прямо пропорционален силе N и не зависит от площади соприкосновения поверхностей.

Причиной появления трения между двумя поверхностями является наличие на них микронеоднородностей, приводящих к их «зацеплению» подобно маленьким крючочкам. Это простое объяснение является достаточно хорошей аппроксимацией реально происходящего процесса, который намного более сложен, и для глубокого понимания предполагает рассмотрение взаимодействий в атомных масштабах.

Приведенные формулы относятся к трению твердых тел. В случае же текучих субстанций (жидкости и газы) трение также присутствует, только оно уже оказывается пропорциональным скорости движения объекта (квадрату скорости при быстрых перемещениях).

Силы в теоретической механике

Если мы рассматриваем деформации в телах, то все приложенные силы нужно рассматривать как связанные векторы, поскольку внутренние напряжения и деформации зависят от точек приложения сил. Но если мы считаем тело абсолютно твердым, и нам нужно определить только траекторию его движения, то, как показано выше, силы являются скользящими векторами. То есть в теоретической механике мы можем обращаться с силами более свободно, чем при решении других задач – точки приложения сил можно перемещать вдоль линий их действия.

Таким образом, в теоретической механике, над силами мы можем выполнять следующие преобразования.1) Переносить точку приложения силы на любое расстояние вдоль линии ее действия.2) Раскладывать силу по правилу параллелограмма на две или более сил, каждая из которых приложена в той точке, что исходная сила – то есть можно заменить исходную силу на несколько сил, векторная сумма которых равна исходной.3) Несколько сил, приложенных к одной точке можно объединять в одну, применяя правило параллелограмма – то есть можно заменить несколько сил, приложенных в одной точке их векторной суммой, приложенной в той же точке.

Такие преобразования называются эквивалентными преобразованиями сил. А системы, полученные в результате таких преобразований, называются эквивалентными системами сил. На странице «Аксиомы статики» приводится иллюстрация подобных преобразований. См. Таким образом, в теоретической механике, силы являются некоторыми расчетными величинами. Их можно преобразовывать для того, чтобы получить более простую систему сил и упростить уравнения движения тел.

Рассмотрим следующий пример. Пусть мы имеем тело, на которое действует сила тяжести Земли. Эта сила приложена ко всем точкам. На любую малую часть тела, массой , действует сила тяжести , где – ускорение свободного падения. То есть на тело действует система сил, равномерно распределенных по его объему. Решать уравнения движения с такими силами неудобно. Поэтому в начале, проще выполнить эквивалентные преобразования. В результате таких преобразований все силы тяжести малых элементов тела можно заменить одной силой , приложенной к центру масс тела с радиус-вектором . Тем самым мы пришли к уравнениям движения, в которых на тело действует одна сила. Естественно, что это не реальная сила, действующая в центре масс, а расчетная величина, эквивалентная распределенным по объему тела силам.

Здесь мы разбили тело на материальные точки, каждая из которых имеет массу и положение в пространстве, задаваемое радиус-вектором . Тогда – масса тела. Суммирование выполняется по всем точкам, составляющим тело.

Способы ответить взаимной симпатией

Как лучше реагировать на поведение влюбленного мужчины?

Женщине важно оставаться такой, какая она есть, не пытаясь казаться лучше (или хуже) и выдавать себя за кого-то другого. Рано или поздно обман обнаружится, и даже если отношения сложатся, неприятный осадок останется.

Психологи утверждают, что мужчину привлекают женщины, напоминающие ему мать, так как материнский образ влияет на формирование либидо. Это сходство может быть даже в каких-то едва уловимых чертах, поэтому по возможности следует разузнать у партнера, чем особенно дорога ему мама. Впрочем, не следует слепо ее копировать, если общего ничего нет.
Большинство мужчин находят наиболее привлекательными для себя самодостаточных женщин с ярко выраженной индивидуальностью. Если к тому же дама сердца уважает и ценит партнера, разделяет его взгляды на жизнь и при этом умеет аргументировать свою точку зрения, влюбленный готов весь мир бросить к ее ногам.
Чтобы получить любовь мужчины, женщина должна сама себя ценить и любить. Ее неуверенность в собственной внешности или способностях быстро обнаружится, и не исключено, что кавалер начнет относиться к ней хуже.

Общее и различия

Все силы в механике являются мерами взаимодействия тел. Все они подчиняются одним и тем же физическим законам, кроме того, все они являются векторами, которые можно складывать по геометрическим правилам, несмотря на их различную природу.

Однако силы эти описываются разными формулами, и имеют особенности, делающие их непохожими друг на друга.

Для четкого понимания различий, удобно составить таблицу сил в механике:

Рис. 3. Таблица сил.

Что мы узнали?

Механика изучает силы трех групп: силы, имеющие в основе гравитацию, силы, имеющие в основу упругость, силы трения. Эти силы имеют различную природу, однако, они подчиняются общим основным законам динамики, могут быть приложены к одной точке, и могут складываться по правилам сложения векторов.

/5

Вопрос 1 из 5

Характеристика силы Лоренца

Сила Лоренца — сила воздействия магнитного поля на заряженную частицу, которая в нем движется.

Обознается как \(F_л\). Для понимания этой величины необходимо узнать о природе магнитного поля. Явление объясняется двумя процессами:

заряды, двигаясь, приводят к образованию магнитного поля;
магнитное поле оказывает воздействие на движущиеся заряды.

Модуль силы Лоренца \(F_л\) рассчитывается как произведение модуля индукции магнитного поля \(В\), в котором пребывает заряженная частица, модуля \(q\) заряда частицы, ее скорости \(V\) и синуса угла \(\alpha\) между направлениями скорости и вектора индукции магнитного поля. Формула имеет такой вид:

\(F_{L}= B\times \left|q \right|\times V\times \sin \alpha\)

Определить силу Лоренца, а точнее, ее направление, можно с помощью правила левой руки. Действовать необходимо таким образом:

левая рука должна располагаться так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь;
4 вытянутых пальца определяют направление скорости движения положительно заряженных частиц;
4 вытянутых пальца располагаются противоположно движению отрицательно заряженных частиц;
большой палец под углом 90° к ладони покажет направление силы Лоренца.

Учитывая, что \(B\times \sin \alpha\) является модулем компонента вектора индукции, которая перпендикулярна скорости движения заряда, то положение ладони необходимо определять именно с помощью этого компонента. Таким образом, в открытую ладонь левой руки входит перпендикулярная составляющая к скорости заряженной частицы. Сила Лоренца действует перпендикулярно вектору скорости заряженной частицы. В этом случае подобное воздействие не меняет скорость движущейся частицы, а лишь меняет ее направление в пространстве, т.е. не совершает работы.

Вес тела

Вес тела — это сила, с которой предмет воздействует на опору. Вы скажете, так это же сила тяжести! Путаница происходит в следующем: действительно часто вес тела равен силе тяжести, но это силы совершенно разные. Сила тяжести — сила, которая возникает в результате взаимодействия с Землей. Вес — результат взаимодействия с опорой. Сила тяжести приложена в центре тяжести предмета, вес же — сила, которая приложена на опору (не на предмет)!

Формулы определения веса нет. Обозначается эта силы буквой .

Сила реакции опоры или сила упругости возникает в ответ на воздействие предмета на подвес или опору, поэтому вес тела всегда численно одинаков силе упругости, но имеет противоположное направление.

Сила реакции опоры и вес — силы одной природы, согласно 3 закону Ньютона они равны и противоположно направлены. Вес — это сила, которая действует на опору, а не на тело. Сила тяжести действует на тело.

Вес тела может быть не равен силе тяжести. Может быть как больше, так и меньше, а может быть и такое, что вес равен нулю. Это состояние называется невесомостью. Невесомость — состояние, когда предмет не взаимодействует с опорой, например, состояние полета: сила тяжести есть, а вес равен нулю!

Определить направление ускорения возможно, если определить, куда направлена равнодействующая сила

Обратите внимание, вес — сила, измеряется в Ньютонах. Как верно ответить на вопрос: «Сколько ты весишь»? Мы отвечаем 50 кг, называя не вес, а свою массу! В этом примере, наш вес равен силе тяжести, то есть примерно 500Н!. Перегрузка — отношение веса к силе тяжести

Перегрузка — отношение веса к силе тяжести

Сила упругости

Это сила возникает в результате деформации (изменения первоначального состояния вещества). Например, когда растягиваем пружину, мы увеличиваем расстояние между молекулами материала пружины. Когда сжимаем пружину — уменьшаем. Когда перекручиваем или сдвигаем. Во всех этих примерах возникает сила, которая препятствует деформации — сила упругости.

Закон Гука

Сила упругости направлена противоположно деформации.

Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра

При последовательном соединении, например, пружин жесткость рассчитывается по формуле

При параллельном соединении жесткость

Жесткость образца. Модуль Юнга.

Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества. Это постоянная величина, зависящая только от материала, его физического состояния. Характеризует способность материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия. Значение модуля Юнга табличное.

Подробнее о свойствах твердых тел здесь.

Сила трения

Тебе приходилось видеть, как кто-то нечаянно соскользнул со стула и упал на пол? Ты рассмеялся? А вот представь, что мы постоянно падаем со стульев и кроватей, а предметы не могут удержаться на месте и выскальзывают из рук… На самом деле не так и смешно, правда?

К счастью, благодаря силе трения этого не происходит. Если бы трение отсутствовало, то все предметы не могли бы держаться на поверхностях, а постоянно скатывались вниз, на землю.

Трение — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого.

На льду трение между подошвой обуви и льдом очень мало, поэтому мы не можем ходить по льду так, как ходим по земле: наши ноги скользят. Для того чтобы улучшить сцепление обуви с поверхностью, лед посыпают песком

Одной из причин, вызывающих трение, является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Причем чем больше шероховатостей и неровностей, тем больше сила трения.

Различают несколько видов трения, из них основные: трение скольжения, качения и покоя.

Трение скольжения

В данном случае одно тело скользит по поверхности другого. Например: катание с горы на санках или лыжах, катание на коньках по льду.

Сила трения направлена в сторону, противоположную направлению движения. Более того, она направлена вдоль соприкасающихся поверхностей

Трение качения

Этот вид трения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого. Это может быть любое колесо или тело в форме шара.

Трение покоя

В состоянии трения покоя тело может сдвинуться с места, но ему что-то мешает, и мешает ему именно сила трения. Например, в комнате стоит диван, и сдвинуть его с места можно только в случае приложения другой силы, которая будет больше силы трения покоя.

К чему приводит уменьшение силы трения?

Снижением силы трения и плохим контактом шин с асфальтом объясняется повышение количества аварий на мокрой дороге.

На мокром полу мы можем легко упасть.

Это происходит потому, что жидкость создает барьер между полом и подошвой обуви, при котором сцепление подошвы с полом значительно уменьшается, и, соответственно, уменьшается сила трения.

Поделиться ссылкой

Контактная и неконтактная сила

Есть два типы сил во Вселенной: контактные и бесконтактные. Контактные силы, как следует из названия, возникают, когда объекты касаются друг друга, например, при ударе по мячу: один объект (ваша ступня) касается другого объекта (мяча). Бесконтактные силы – это силы, при которых объекты не касаются друг друга..

Контактные силы можно разделить на шесть различных типов:

Натяжение: например, натяжение веревки.
Пружина: например, сила, возникающая при сжатии двух концов пружины
Нормальная реакция: когда одно тело обеспечивает реакцию на приложенную к нему силу, такую как мяч, подпрыгивающий на асфальте.
Трение: сила, возникающая, когда объект движется по другому, например, мяч катится по асфальту.
Воздушное трение: трение, которое возникает, когда объект, например мяч, движется по воздуху.
Вес: когда тело тянется к центру Земля из-за гравитации

Бесконтактные силы можно разделить на три типа:

Гравитационный: который возникает из-за гравитационного притяжения между двумя тела
Электрический: который возникает из-за электрических зарядов, присутствующих в двух телах.
Магнитный: , который возникает из-за магнитных свойств двух тел, например, противоположных полюсов двух магнитов, притягиваемых друг к другу

Первый закон Ньютона

Барабанную дробь, пожалуйста! Законы Ньютона описывают силы и движение, а его первый закон гласит: “Объект находится в состоянии равновесия или прямолинейном движении с постоянной скоростью, если не подвергается внешнему воздействию”. Нужен перевод? Если вы не прилагаете силу к объекту в покое или “постоянном” движении, то он останется в покое или таком же движении по прямой. Причем вечно!

Например, при игре в хоккей шайба после удара движется к воротам по прямой, скользя по льду почти без трения. В случае удачи соперник не сможет зацепить шайбу своей клюшкой, т.е. не сможет изменить “постоянное” движение шайбы по прямой (и воспрепятствовать голу).

Первый закон Ньютона утверждает лишь то, что единственным способом изменения движения является приложение внешней силы. Иначе говоря, сила является причиной движения. Кроме того, он гласит, что движущийся объект стремится оставаться в движении, что приводит к идее инерции.

Поддерживаем движение: инерция и масса

Инерция — это естественная тенденция объекта оставаться в покое или в движении с постоянной скоростью вдоль прямой линии. Инерция вызвана массой, а масса объекта является мерой инерции. Чтобы привести объект в движение, т.е. изменить его текущее состояние движения, необходимо приложить силу для преодоления инерции.

Представьте себе причал с маленькой шлюпкой и большим танкером с нефтью. Если попробовать толкнуть их ногой, то поведение этих судов будет разным. Шлюпка заскользит по водной глади, а танкер едва “вздрогнет” (да и для этого потребуется невероятно сильный толчок!). Дело в том, что они обладают совершенно разной массой и потому разной инерцией. В ответ на одинаковую силу объект с малой массой (и малой инерцией) ускорится в большей мере, чем объект с малой массой и большей инерцией.

Инерция, т.е. тенденция массы сохранять неизменность текущего состояния движения, иногда может представлять проблему. Например, в рефрижераторе тяжелые туши мороженного мяса подвешены к потолку кузова. Если рефрижератор войдет в крутой поворот на большой скорости, то туши по инерции начнут раскачиваться, как маятники, и их трудно будет остановить. Часто неопытные водители не учитывают инерцию туш мяса, и это приводит к печальным последствиям, например к опрокидыванию машины.

Измеряем массу

В разных системах измерения физических величин для указания массы (а значит, и инерции) используются разные единицы. В системе СГС используется грамм, а в системе СИ — килограмм, который содержит 1000 грамм.

А какая единица используется в Английской системе мер на основе фута-фунта- дюйма? Наберитесь мужества: в ней используется единица “слаг”, которая эквивалентна 14,5939 килограмма.

Что такое сила?

Сила — это воздействие одного тела на другое. Воздействие может быть разным: в результате приложения силы тело способно приводиться в движение, менять скорость или направление движения, останавливаться и т.п. Например, толкая в магазине тележку для продуктов, ты приводишь ее в движение. При этом скорость тележки и направление ее движения меняются в зависимости от той силы, с которой ты действуешь на тележку. А твой папа может толкать такую тележку с гораздо большей скоростью, так как он сильнее тебя.

Под воздействием силы можно не только изменить скорость тела или его форму, но и направление его движения. Например, во время игры в теннис, бадминтон, бильярд при помощи ракетки или кия можно изменить направление движения шара. Шар или мяч может полететь в другом направлении не только после воздействия на него человека (при помощи ракетки, например), но и ударившись о любой предмет во время полета: стенку, забор, штангу и т.д. Приложение силы способно привести к изменению не только скорости, но и размеров или формы тела. Говоря другими словами, в результате приложения силы тело может деформироваться.

Пример: на рисунке ниже видно растяжение (удлинение) пружины после того, как на нее подвесили груз. Причем чем тяжелее груз и, соответственно, большая сила прилагается, тем сильнее растягивается пружина.