Учебное пособие: Елементарні відомості з механіки

.

20 МЕХАНІЧНИЙ РУХ. ВІДНОСНІСТЬ РУХУ І СПОКОЮ

Вдалині на дорозі видно автомобіль. Ми не чуємо шуму його двигуна і не бачимо, чи обертаються його колеса. Як визначити, чи рухається автомобіль.

Простежимо за положенням автомобіля відносно дерева, яке росте біля дороги. Якщо віддаль від дерева до автомобіля змінюється, ми робимо висновок, що автомобіль рухається; якщо ж не змінюється, значить автомобіль перебуває у спокої

Корабель знаходиться у відкритому морі. Берега уже не видно і не видно ніяких предметів на поверхні води. На палубу вийшов пасажир. Йому важко визначити чи корабель рухається, чи стоїть на місці. Аж раптом удалині він побачив маяк. Корабель став наближатися до маяка. Тепер пасажир зрозумів, що корабель рухається. Отже, рух корабля пасажир визначив відносно маяка.

На паралельних коліях стоять два поїзди. Раптом один з них рушив. Пасажиру, який дивиться на сусідній поїзд, важко визначити, який поїзд рухається. Щоб визначити чи рухається його поїзд, треба вибрати якийсь предмет на землі: приміщення вокзалу, дерево, будівлю чи телеграфний стовп. Відносно цього предмету і можна визначити рухається його поїзд чи стоїть на місці.

Механічним рухом називається зміна положення даного тіла відносно інших тіл.

Механічні рухи тіл дуже різноманітні. Рух Землі, планет, хмар,

води в ріках, поїздів, літаків, автомобілів, різних частин машин і верстатів, людей, тварин, птахів і т.д.

Механічні рухи вивчаються в розділі фізики, що називається механікою. Слово механіка походить від грецького слова “механе” що означає машина або пристрій.

Кожний механічний рух, що вивчається у фізиці, завжди є від­носний рух. Пароплав рухається відносно берега, поїзд — відносно полотна залізниці, різець токарного верстата — відносно основи вер­стам і т.д. Але і берег, і полотно залізниці, і основа верстата самі рухаються разом із Землею.

Тіла, відносно яких розглядається рух, називаються тілами відліку.

Рух тіла відбувається протягом певного проміжку часу. Рухоме тіло під час свого руху за цей час опише лініюю.

Лінія, по якій рухається тіло, називається траєкторією руху.

Проведемо крейдою лінію на класній дошці: ця лінія буде траєкторією руху грудки крейди /мал. 45/. Видиму траєкторію руху — світлий слід — заливає в нічному небі метеор /мал. 46/ або сигнальна ракета. На малюнку 47 видно лижний слід, залишений дівчинкою, яка спустилася на ликах з гори. На малюнку 48 штриховою лінією зображено траєкторію лижника, який стрибав з трампліна. Довжина Траєкторії ОА — це шлях, пройдений лижником за час спускання з гори.

За траєкторією рухи тіл поділяються на прямолінійні і криволінійні.

1. Який рух називається механічним?

2. Які тіла називають тілом відліку?

3. Чому кажуть, що Сонце сходить і заходить? Що в даному ви­падку є тілом відліку?

4. У вагоні рухомого поїзда сидить пасажир. Що може сказати про його рух провідник вагона і стрілочник, повз якого рухається поїзд?

5. Навести приклади відносного руху тіл і пояснити, відносно яких тіл пасажир, що їде в автобусі, рухається, а відносно яких перебуває у спокої.

6. Що таке траєкторія руху тіла?

7. Якими можуть бути траєкторії руху тіл?

Завдання. Виміряйте довжину свого кроку і, користуючись цією мірою, визначте, який шлях ви проходите від школи до майстерень. За який час ви проходите цей шлях?

21 ВИДИ РУХІВ

Рухи тіл можуть бути дуже різноманітними. Рух кузова автомобіля, наприклад, відрізняється від руху його коліс. Колеса обертаються, а кузов не бере участі в обертальному русі.

Обертаючи колодязний вал, витягають з колодязя відро з водою. При цьому вал і відро рухаються по-різному.

Основними видами руху тіл в поступальний, обертальний і коливальний.

Розглянемо ці рухи окремо.

Поступальний рух.

Поступальним рухом є, наприклад, рух шухляди, що висувається з стола, рух поршня в двигуні внутрішнього згоряння, рух машини, рух різця вздовж корпусу токарного верстата /мал. 49/ або деталі на поздовжньо-стругальному верстаті відносно різця /мал. 50/, рух ван­тажу, яких переносять підіймальним краном /мал. 51/, рух предмета на стрічці транспортера /мал. 52/ і багато інших рухів.

Розглянемо ознаки поступального руху тіла.

При перенесенні вантажу краном легко побачити, що всі точки вантажу при його перенесенні описують у просторі однакові траєкто­рії і проходять одинакові шляхи за один і той самий час.

Отже, при поступальному русі тіла всі його точки описують однакові траєкторії в просторі і за один і той самий проміжок часу про­ходять однакові шляхи.

Не слід думати, що поступальним може бути лише прямолінійний рух. Прикладом може бути рух олівця /мал. 53/.

Обертальний рух.

Обертальний рух здійснюють колесо машин, гвинти літаків і паро­плавів, махові колеса, вали, шестерні, шківи, паси верстатів та машин, деталі затиснуті у токарнях верстатах, циркульна пила. Кожна точка Землі здійснює обертальний рух, внаслідок добового обертання Землі навколо своєї осі. Цей рух Землі спричиняє зміну дня і ночі. Сама Земля здійснює обертальний рух навколо Сонця, а планети — нав­коло Землі.

Кінці стрілки годинника рівномірно обертаються по колу. Щоб виявити особливості обертального руху, виконаємо дослід. Візьмемо картонний диск з намальованими на ньому точками на різних відстанях від центра /мал. 54/ і будемо його швидко обертати. Замість кружечків ми побачимо на диску ряд кіл різних радіусів /мал. 55/.

Цей дослід показує, що при обертальному русі тіла різні його точки рухаються по колах. Центри цих кіл лежать на одній прямій, яка називається віссю обертання тіла.

При обертанні тіла по коду виникав відцентрова сила. Ця відцентрова сила широко використовується людиною у різних відцентрових машинах /мал. 56/.

У кулясту скляну посудину надити рідини різної густини /олії, води, меду/, накидати кусочків корка і привести посудину /мал. 57/ в обертання на відцентровій машині. Рідини розмістяться кільцями: зовнішній — мед, дальшим — вода, далі - олія /на внутрішні й поверх­ні олії розмістяться кусочки корка/ і, нарешті, всередині — повіт­ряний стовп. Взагалі найгустіша рідина розміщується далі від осі обертання.

Центрифуга з сітчастими стінками вживається для відокремлення меду від стільників, для відокремлення воді від цукру /сушіння цук­ру/, води від мокрої білизни, соку від помелених овочів і фруктів у соковижималках, вершків від молока у сепараторах /мал. 58/. Широко використовуються відцентрові насоси /мал. 59/.

Коливальний рух.

Якщо у фізичному штативі затиснути пружну пластину у горизонтальному положенні і підняти її вільний кінець у верх, то коли відпустимо вільний кінець, він почне коливатись. Рух вільного кінця пластини буде коливальним рухом.

До штатива підвісимо на нитці кульку чи висок. Відхилимо її в сторону і відпустимо. Кулька почне коливатися. Це явище називається коливанням маятника /мал. 60/.

Коливальний рух здійснюють звичайна дитяча гойдалка, маятник

годинника, маятник метронома і інші /мал. 61/.

Різні види руху тіл можна спостерігати під час роботи швейної машини /мал. 62/. Рукоятка машини 1, махове колесо 2, вал машини З обертаються. Голководій з голкою 4 рухається вгору і вниз поступаль­ної човник 5 і нитконатягувач 6 виконують коливальні рухи.

Рух свердла свердлильного верстата при роботі складається з двох рухів) обертального і поступального.

1. Які види рухів ви знаєте?

2. Дати приклади поступальних рухів.

3. Дати приклади коливальних рухів.

4. Санки з’їжджають з гори; кулька скочується похилим жолобом; камінь, випущений з рук, падає; Які з цих тіл рухаються поступально?

5. Який вид руху здійснюють: деталь у токарному верстаті; свердло у свердлильному верстаті; голка швейної машини, махове коле­со швейної машини?

6. Які види рухів здійснюють при роботі ручного дриля? 7. По поверхні стола рухається іграшкова машина. Який вид руху вона здійснює?

7. Де використовують відцентрові машини?

ШВИДКІСТЬ РУХУ. ОДИНИЦІ ШВИДКОСТІ

22 РІВНОМІРНИЙ І НЕРІВНОМІРНИЙ РУХИ

Якщо яке-небудь тіло за будь-які однакові проміжки часу про­ходить однакові шляхи, то його рух називають рівномірним.

На мал. 63 зображено візок, на якому встановлено крапельницю.

3 крапельниці через однакові проміжки часу падають краплі. Під час руху візка відстані між слідами, що їх залишили краплі на папері, однакові. Отже, візок за однакові проміжки часу проходить однакові шляхи, тобто він рухається рівномірно.

Прив’язаний до нитки тягарець має бути такої величини, щоб ві­зок починав рухатись при найменшому поштовху.

Рівномірний рух зустрічається в природі дуже рідко. Приблизно однакові шляхи за однакові проміжки часу проходить Земля, обертаючись навколо Сонця, кінець стрілки годинника.

Більшість рухів не в рівномірними. Наприклад, поїзд, відходячи від станції, проходить за однакові проміжки часу все більші і більші шляхи. Наближаючись до станції, він, навпаки, за одинакові проміжки часу проходить щоразу менші шляхи. Отже, поїзд рухається нерівномірно.

Знову проведемо дослід з візком. Підвісимо важчий тягарець до візка /мал. 64/. Візок почне рухатись баз поштовху. Падаючі краплі залишать сліди, але вже не на однакових відстанях одна від одної. Це означає, що тепер візок за однакові проміжки часу проходять вже неоднакові відстані.

Рух, при якому тіло за будь-які однакові проміжки часу прохо­дять не однакові шляхи, називається нерівномірним рухом.

23. ШВИДКІСТЬ. ОДИНИЦІ ШВИДКОСТІ

Автомобіль, що рухається рівномірно, випереджає людину, яка йде рівномірно тому, що рухається швидше від неї. Літак рухається швидше, ніж автомобіль, а штучний супутник Землі — швидше, ніж літак. Рухи всіх цих тіл відрізняються між собою швидкістю.

Швидкість тіла при рівномірному русі показує, який шлях про­ходить тіло за одиницю часу.

Наприклад, якщо за кожну годину автомобіль, проходить 65 км, а літак пролітає 600км, то кажуть, що швидкість автомобіля 66 кілометрів за годину, а швидкість літака 600кілометрів за годину.

Щоб визначити швидкість тіла при рівномірному русі, треба шлях, пройдений тілом за який-небудь проміжок часу, поділити на цей проміжок часу.

Позначимо всі величини, що входять у цей вираз буквами: S— шлях, t — проміжок часу, за який пройдено шлях, V— швидкість; тоді дістанемо формулу для обчислення швидкості:

За одиницю швидкості беруть швидкість такого рівномірного руху, при якому рухоме тіло за 1 секунду проходить шлях, що дорівнює 1м.

Цю одиницю швидкості записують так 1м/сек.

Використовують і інші одиниці швидкості 1км/год.

Транспортні засоби рухаються нерівномірно. На зупинках їх швидкість дорівнює нулю, потім вона збільшується, а перед наступною зупинкою зменшується. При такому русі говорять про середню швидкість руху на даному відрізку шляху або за певний проміжок часу руху.

Щоб визначити швидкість, пройдений шлях ділять на час руху, тобто роблять так само, як і при обчисленні швидкості рівномірного руху.

або

Розглянемо приклад. Відстань міх двома містами 3200 км. Поїзд, рухаючись нерівномірно, проходить цей шлях за 64 години. Знайти середню швидкість поїзда.

S= 3200км

t= 64 год

V-?

Середня швидкість поїзда 50км за год.

Таблиця швидкості різних тіл:

1. Який рух навивається рівномірним?

2. Наведіть приклади рухів, близьких до рівномірного.

3. Який рух називається нерівномірним?

4. Наведіть приклади нерівномірного руху.

5. Що показує швидкість рівномірного руху?

6. Як визначити швидкість руху, знаючи шлях та час, протягом якого його пройдено?

7. Які одиниці швидкості ви знаєте?

8. Яку швидкість мають на увазі, коли говорять про швидкість руху автомобіля, літака?

9. Як визначити швидкість нерівномірного руху? Записати формулу швидкості.

Розв'яжіть задачі.

1. Велосипедист за 30 хв. проїхав шлях 6000 м. Обчисліть серед­ню швидкість руху велосипедиста /в м/сек/.

2. Електровоз за 4 год проїхав шлях 360км. Яка середня швидкість руху електровоза?

3. Два автомобілі рухаються рівномірно. Перший протягом 5 хв. проходить 6км, а другий протягом 3 сек — 90м. Швидкість якого автомобіля більша? /Швидкість виразити у м/сек/.

4. Знайти швидкість руху мотоцикліста, коли відомо, що він за 3 год. пройшов шлях І30,5 км.

5. Швидкість течії ріки 5км/год. На яку відстань перемістить­ся пліт, що пливе за течією за 3 год?

6. Перша космічна швидкість /швидкість, яку повинне мати тіло, щоб стати штучним супутником Землі/ дорівнює 8 км/с. Яку відстань пройде ракета за 1 хв, якщо вона летить з такою швидкістю?

7. Через який час ракета, запущена з поверхні Землі з швидкістю 8 км/с, перебуватиме від неї на відстані 480км?

8. Поїзд рухається із швидкістю 48км/год. За скільки годин він пройде шлях, що дорівнює 604км?

9. Віддаль між двома пристанями 144км. Скільки часу потрібно буде пароплавові, щоб пройти між зазначеними пристанями туди і назад, якщо швидкість пароплава у стоячій воді 14 км/год, а швидкість течії 2 км/год?

ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ.

24 ІНЕРЦІЯ.

Ми з досвіду знаємо, що коли яке-небудь тіло перебуває в спокої, то саме воно, без ніякої причини, не почне рухатись.

Покладена на стіл книжка лежить на місці, поки хто-небудь не перекладе її на інше місце. Поїзд стоїть на місці доти, поки тепловоз його не потягне. Куля, вкладена в рушницю, не вилетить доти, поки її не виштовхнуть порохові гази.

У всіх випадках, для того, щоб вивести тіло з стану спокою, на нього повинне подіяти яке-небудь інше тіло, або, як кажуть, на тіло повинна подіяти сила.

Часто доводиться спостерігати, як рухається велосипедист, не працюючи педалями. Досить довго рухається автомобіль після вимкнення двигуна. Куля, виштовхнута з рушниці пороховими газами, продовжує рух і поза рушницею, де на неї вже не діють порохові гази.

Однак зрештою всі згадані тіла з часом зупиняються. Чому? Щоб відповісти на це запитання, виконаємо дослід.

Установимо похило на столі дошку. На невеликій відстані від кінця дошки насиплемо купку піску. На похилу дошку ставимо візок. Візок скочуючись, потрапляє у пісок і швидко зупиняється /мал. 65а/. Вирівнявши пісок, знову пускаємо візок по дошці з попередньої висоти. Тепер візок проходять більшу відстань по столу /мал. 65б/. Якщо ж зовсім прибрати пісок з шляху візка, то до зупинки він пройде ще більшу відстань /мал. 65в/.

Отже, чим менша дія іншого тіла на візок, тим довше зберігається його рух, тим цей рух ближчий до рівномірного.

Прикладом руху тіл при наявності дуже малого опору може бути рух штучних супутників Землі. Верхні розріджені шари атмосфери чинять незначний опір їх рухові, тому супутники можуть обертатись навколо Землі тривалий час.

Якби перешкод рухові зовсім не було, то будь-яке тіло, при­ведене в рух, продовжувало б рухатися як завгодно довго.

Спостереження показують, що тіло, яке рухається прямолінійно, саме по собі не може змінити і напрям свого руху. Велосипедист, повертаючи руль, змінює напрям руху коліс велосипеда.

Отже, тіло, яке перебуває в спокої, само собою /без дії на нього інших тіл/ не може почати рухатися, а рухоме тіло само собою не може ні зупинитися, ні змінити напряму свого руху.

Властивість тіла зберігати стан спокою або прямолінійного рівномірного руху називається інерцією тіла.

(Інерція — латинське слово, означає "нерухомість").

Автомобіль з вимкненим двигуном зберігав би швидкість свого руху. Але на нього діє сила тертя, тому швидкість його зменшується і він поступово зупиняється. Шлях, що його проходять автомобіль після вимкнення двигуна до повної зупинки, називається гальмівним шляхом. Наприклад, автомобіль “Таврія”, що рухається по асфальто­вому шосе зі швидкістю 50 км/год, після вимкнення двигуна пройде до повної зупинки 355 м. Ця відстань і буде гальмівним шляхом. Якщо навіть загальмувати колеса автомобіля, то все-таки деякий час він буде рухатися, ковзаючи колесами по дорозі.

Переходити дорогу перед рухомим транспортом дуже небезпечно, бо жодну машину не можна вмить зупинити.

У розглядуваних прикладах: ми часто вживали слово сила тертя, сила опору повітря, сила тяжіння. Отже, причиною зміни швидкості тіл є дія інших тіл.

Сила — причина зміни швидкості тіла.

Пасажир у машині, вагоні, човні при кожному сповільненні руху нахиляється вперед, при кожному прискоренні руху відхиляється назад, при кожному повороті відхиляється до зовнішнього боку кривизни шляху.

Предмети, що їх викидають з літака, вагона, спершу летять за нами, але під впливом сили тяжіння відхиляються від прямолінійно­го шляху.

1. Чому швидкість тіл змінюється? Наведіть приклади.

2. Як рухалося б тіло, якби на нього не діяли інші тіла?

3. Що називається інерцією?

4. Що називається силою?

5. На малюнку 66 показано спосіб насаджування молотка на рукоятку. Поясніть його.

6. На малюнку 67 показано як можна надати залізку рубанка потрібного положення. Чому від удару по залізку воно входить у рубанок, а від удару по колодці — виходить з нього?

7. У який бік падає людина, яка спіткнулася? яка посковзнулася?

8. Як змінилась швидкість руху вагонів, зображених на малюнку 68?

9. Як вистрибувати з вагона, який швидко рухається?

10. Що треба робити при швидкій їзді на велосипеді на поворотах?

25 ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ.

Ще раз розглянемо чому тіло починав рухатись або змінить свою швидкість.

На мал.69а зображено візок з прикріпленою до нього пружною пластинкою. Пластинку зігнуто і зв’язано ниткою. Візок перебував у спокої відносно стола. Чи почне він рухатися, якщо пластинка ви­прямиться? Перепалимо нитку. Пластинка різко випрямляється, але візок залишається на попередньому місці /мал. 69б/.

Тепер з другого боку від пластинки поставимо ще один такий самий візок /мал. 70а/. Коли перепалити нитку, обидва візки поч­нуть рухатися і роз'їдуться в різні боки /мал. 70б/. Ми бачимо, щоб змінити швидкість візка, потрібне друге тіло — другий візок.

Раз обидва візки стали рухатися відносно стола, то вони обидва подіяли один на одного.

Отже, дія тіла на інше тіло не може бути односторонньою. Обидва тіла діють одне на одне - вони взаємодіють. Так, наприклад, куля перед пострілом перебуває в спокої відносно рушниці. Під час пострілу куля й рушниця взаємодіють і рухаються в різні боки. Від­бувається явище відбою.

Коли людина, що сидить у човні, відштовхує від себе рукою інший човен, то і її човен також починає рухатись у протилежний бік.

Людина стрибає з човна на берег /мал. 72/. Людина став на край. човна і відштовхується від нього, тобто штовхає його назад. При цьому човен діє на людину і вона набуває швидкості в напрямі до берега. Дія людини на човен проявляється в тому, що він відходить у бік, протилежний стрибку.

На мал. 73 зображено два хлопчики, які стоять на візках. У рухах у них вірьовка. Коли хлопчики натягують вірьовку, то обидва вони разом з візками почнуть рухатись назустріч один одному. Сили, які при цьому прикладені до хлопчиків, виявляються завжди рівними і протилежно напрямленими, незалежно від того, як хлопчики на­тягують вірьовку (діюча і протидіюча сила).

Отже, в усіх випадках сили, з якими два тіла діють одне на друге, рівні за величиною і протилежні за напрямом.

Ноги людини і тварин, ведучі колеса автомобіля і тепловоза при русі відштовхуються від землі, гребний гвинт пароплава — від води, птах і гвинт літака під час польоту — від повітря. У всіх таких випадках. відштовхуюче і відштовхуване тіла починають рухатися в протилежних напрямах.

Сили дії і протидії завжди рівні і протилежно напрямлені, але ніколи одна одну не зрівноважують, оскільки вони прикладені до різних тіл.

Якщо кінь везе воза, то це не означає, що сила, з якою він тягне воза, більша від сили, з якою віз тягне коня у протилежну сторону. Ці сили рівні за величиною. Але ні кінь, ні віз, внаслідок самої тільки взаємодії один з одним, не можуть почати рухати­ся обидва в одному і тому ж напрямі. Для цього необхідна третя сила, прикладена одночасно і до коня, і до воза. Така сила виникав при взаємодії коня з Землею. Кінь підковами відштовхує Землю в одну сторону, а Земля штовхає коня з возом у другу.

1. Опишіть досліди, які показують, що тіла починають рухатися Тільки тоді, коли вони взаємодіють з іншими тілами.

2. Наведіть приклади, які показують, що внаслідок взаємодії змінюються швидкості обох тіл.

3. Опишіть явища взаємодії на прикладі, зображеному на малюнку 72.

4. Порівняйте явища, зображені на мал. 70 і 71.

МАСА ТІЛА. ВАГА ТІЛА. ДИНАМОМЕТР

На попередньому уроці ми проводили дослід з двома однаковими візками. Їхні швидкості були однаковими.

Проведемо такий самий дослід з різними візками /мал.74/. Після перепалення нитки пластина випрямляється, візки взаємодіють і їхні швидкості змінюються. Візки роз’їжджаються з різними швидкостями. Це тому, що візки мають різні маси. Той візок, що рухається з більшою швидкістю має меншу масу. Якщо швидкість першого візка у 2 рази більша, ніж другого, то маса першого у 2 рази менша, ніж маса другого.

При пострілі з рушниці порохові гази і рушниця після взаємодії рухаються в протилежні сторони (відбій). Тому, що маса рушниці набагато більша від маси кулі, то швидкість рушниці менша. Якщо маса човна, з якого стрибає людина, у 5 разів більша за масу людини, то швидкість човна буде у 5 разів менша.

Вивчаючи взаємодію тіл, ми ознайомились з фізичною величиною, яка називається масою тіла. Порівнювати маси тіл можна за швидкостями, яких набувають внаслідок взаємодії тіла, якщо до взаємодії вони були у спокої.

За одиницю маси взято кілограм — 1кг. Міжнародний зразок /еталон/ кілограма зберігається у Франції, в м. Севрі, поблизу Парижа. 3 цього зразка з великою точністю виготовлено копії для інших країн. /Мал. 75/.

Порівнюючи швидкості, набуті тілами, які перебувають у спокої, внаслідок взаємодії, можна визначити, у скільки разів маса одного тіла більша за масу другого. Цим способом можна виміряти масу тіла, якщо маса одного з тіл, які взаємодіють, відома.

Масу тіл можна визначити за допомогою важільних терезів /мал. 76/.

Коли тіло ставлять на опору, то стискається не тільки опора, а й тіло, яке притягується Землею. Деформоване, стиснуте тіло тисне на опору. Так само, коли тіло підвішене, то деформується не тільки підвіс, а й саме тіло. Деформоване /розтягнуте/ тіло, деформує /розтягає/ підвіс.

Силу, з якою тіло внаслідок притягання до Землі діє на горизонтальну опору або вертикальний підвіс, називають вагою тіла.

Треба розрізняти силу тяжіння, яка діє на тіло, і вагу тіла. Сила тяжіння діє на саме тіло, а вага цього тіла діє на опору або підвіс. /Мал. 77/.

Вага — це сила, прикладена не до тіла, а до опори.

Існує два способи зважування тіл: 1(на пружинних терезах) і 2 (на важільних терезах). Обидва ці способи принципіально різні.

Якщо вимірювати пружинними терезами вагу одного і того ж тіла на різних висотах над поверхнею Землі, то можна помітити, що із збільшенням висоти вага тіла зменшується. Це зменшення ваги не велике, але однакове для всіх тіл. При підніманні на 1 км вага зменшується на 0,0003 своєї величини.

Так само вага тіла змінюється залежно від географічної широти місцевості: в міру наближення до екватора вага тіла зменшується. Всяке тіло, перенесене з полюса на екватор, зменшується у вазі приблизно на 0,006 його ваги на полюсі.

Якщо тіло зважувати на важільних терезах, то в будь-якому місці ми матимемо завжди один і той же результат. Важільні терези показують масу тіла. Маса тіла ніколи не змінюється.

У місці зберігання еталона маси /Севрі/ числове значення ма­си тіла дорівнює числовому значенню його ваги. І кг = І кГ. В інших місцях на Землі цього збігу не буде.

На Місяці вага тіла зменшується у 6 разів, бо сила тяжіння Місяця у 6 разів менша, ніж сила тяжіння Землі.

Динамометром називають прилад для вимірювання сили (від грецьких слів динаміс — сила, метрео — вимірюю).

Будова найпростішого /пружинного/ динамометра грунтується на порівнянні будь-якої сили з силою пружності пружини. На дощечці, обклеєній білим папером, закріплюють пружину, яка закінчується внизу стержнем з гачком /мал.78/. До верхньої частини стержня прикріплюють покажчик. При нерозтягнутій пружині покажчик показує нульову позначку. До гачка підвішують тягарець в 100г. Пружина розтягнулася. Проти покажчика пишуть 100г, потім 200г і т.д. Відстані між поділками 0 і 100; 100 і 200; 200 і 300 і т.д. треба поділити на 10 однакових частин. Проградуйована пружина й буде найпростішим динамометром. (Проградуювати прилад - значить нанести на нього шкалу з поділками).

Для вимірювання м’язової сили руки при стисканні кисті в кулак застосовують ручний динамометр — силомір /мал. 79/. Для вимірювання сили тяги трактора — тяговий динамометр /мал.80/.

1. Опишіть дослід на взаємодію двох різних візків.

2. Який з цих візків мав більшу масу?

3. Що взято за одиницю маси?

4. Що називається вагою тіла?

5. У чому відмінність ваги тіла від сили тяжіння, що діє на тіло? На які тіла діє кожна сила?

6. Розповісти про будову динамометра.

Лабораторна робота

27 ГРАДУЮВАННЯ ПРУЖИНИ Й ВИЗНАЧЕННЯ ВАГИ ТІЛА З ДОПОМОГОЮ ДИНАМОМЕТРА

Мета роботи — навчитися градуювати пружину, виготовляти шкалу з ціною поділки 10г і за її допомогою визначати вагу тіла.

Прилади і матеріали — динамометр, шкалу якого закрито папером, набір тягарців масою по 100г, штатив з муфтою, лапкою і кільцем.

Вказівки до роботи.

1. Закріпіть динамометр із закритою шкалою вертикально в ланці штатива. Позначте горизонтальною рисочкою початкове положення покажчика динамометра: — це буде нульова поділка шкали.

2. Підвісьте до гачка динамометра тягарець масою 100г. Нове положення покажчика динамометра також позначте горизонтальною рискою на папері.

З. Підвішуйте до динамометра другий, третій і четвертий тягарці такої самої маси /100г/, щоразу позначаючи рисочками на папері положення покажчика /мал.37/.

4. Зніміть динамометр із штатива і проти горизонтальних рисочок, починаючи з верхньої, поставте числа 0,100,200,300,400. Над. числом 0 пишіть г.

5. Виміряйте відстані між сусідніми рисочками. Чи однакові вони?

6. Відстані 0-100. І00-200, 200-300, 300-400 поділіть на 10 рівних частин. Ціна поділки буде 10г.

7. Виміряйте проградуйованим динамометром вагу кільця від штатива, лапки штатива, інших твердих тіл.

28 СИЛА ТЕРТЯ

Санчата, спустившись з гори, на горизонтальному шляху зменшують свою швидкість і нарешті зупиняються. Хлопчик, розбігшись, ковзає по льоду, але, який би не був гладенький лід, хлопчик усе-таки зупиняється., Зупиняється і велосипед, коли велосипедист припиняє обертати педалі. Зупиняється верстат, коли вимкнути двигун. У всіх випадках зменшується швидкість. Але ми знаємо, що причиною зміни швидкості є сила.

Сила, яка виникла під час руху одного тіла по поверхні іншого, прикладена до рухомого тіла і напрямлена проти руху, називається силою тертя. /мал. 81а/.

Однією з причин виникнення сили тертя є шорсткість поверхонь стичних тіл. Навіть гладенькі на вигляд поверхні мають нерівності, горбики і подряпини. На малюнку І9а ці нерівності зображено у збільшеному вигляді. Коли одне тіло ковзав або котиться по поверхні іншого, ці нерівності зачіпаються одна за одну і створюють силу, яка затримує рух.

Інша причина тертя у гладеньких тіл — взаємне притягання молекул стичних тіл. Але про це ми дізнаємося пізніше.

Тертя можна зменшити в кілька разів, якщо ввести між тертьовими поверхнями мастило /мал. 82б/

При русі саней і лиж по поверхні снігу виникає тертя ковзання.

При русі коліс, перекочуванні круглих колод, бочок виникає тертя кочення.

Проведемо дослід. Поставимо на стіл дерев'яний брусок і будемо йогоперетягати, прикріпивши до нього динамометр. Запишіть покази динамометра. Цей самий брусок поставимо на два круглі олівці. Запишіть покази динамометра, ми переконались, що сила тертя кочення завжди менша за силу тертя ковзання. /мал. 83/. Тому для переміщення вантажів використовують котки.

Для зменшення тертя замінюють тертя ковзання тертям кочення.

Тертя спокою. Коли тіло перебуває у спокою на похилій площині, воно вдержується на ній силою тертя. Тертя перешкоджає тілу зсунутися з місця. Такий вид тертя називається тертям спокою.

Пересунути меблі досить важко, бо перешкоджає сила тертя спокою. Сила тертя спокою існує між ведучими колесами автомобіля і дорогою, ведучими колесами локомотива і рейками, між ногами людини і грунтом при ходьбі і т.д.

При великій! ожеледі тертя спокою зменшується і ведучі колеса автомобіля буксують, а при ходьбі ноги починають дуже ковзати. У даному випадку силу тертя спокою треба збільшити. Дорогу посипають піском.

На мал. 84 зображено транспортер, за допомогою якого піднімають паки(тюки) з бавовною. Паки вдержуються на стрічці транспортера силою тертя спокою.

Сила тертя спокою вдержує цвях, забитий у дошку, не дає розв’язатися банту на стрічці, вплетеній в косу, вдержує одяг на тілі людини і т.д. Тертя потрібне між стрічкою транспортера і тілами, які рухаються по ньому, між ведучими колесами транспортних засобів і дорогою, між шківом і пасом у різних машинах і верстатах. У названих прикладах тертя в корисним.

Людина старається збільшити тертя. Поверхню шин для автомобіля роблять з ребристими виступами /мал. 85/, а коли зимою дорога слизька, на ведучі колеса надівають спеціальні ланцюги. У свердлильному верстаті, який є у шкільній майстерні, обертальний рух від двигуна до свердла передається за допомогою паса. Щоб пас не проковзував на шківах, мого змащують спеціальною липкою пастою. Це збільшує тертя між пасом і шківами.

У багатьох рослин і тварин в різні органи призначені для хапання (вусики рослин, хобот слона, язик копитних тварин, чіпкі хвости лазячих тварин). Усі вони мають шорстку поверхню для збільшення тертя.

В усіх машинах внаслідок тертя нагріваються і спрацьовуються рухомі частини. Таке тертя шкідливе, його треба зменшувати.

Щоб зменшити тертя, стичні поверхні роблять гладенькими, між ними вводять мастило. Щоб зменшити тертя обертових валів машин і верстатів, їх установлюють на підшипниках. Деталь підшипника, яка безпосередньо стикається з валом, називають вкладишем. Вкладиші виготовляють з твердих матеріалів — бронзи, чавуну або сталі, — внутрішню поверхню їх покривають особливими матеріалами, найчастіше бабітом (це сплав свинцю або олова з іншими матеріалами) і змащують. На малюнку 86 зображено підшипник, у якому вал під час обертання ковзає по поверхні вкладиша. Такі підшипники називаються підшипниками ковзання. Запам’ятайте, що мастила зменшують тертя у 8-10 раз.

Часто тертя ковзання замінюють тертям кочення — застосовують кулькові і роликові підшипники. У таких підшипниках обертовий вал не ковзає по нерухомому вкладишу підшипника, а котиться по ньому на стальних кульках або роликах. Заміна в машинах підшипників ковзання кульковими або роликовими підшипниками дає можливість зменшити силу тертя в 20-30 раз.

Будову найпростіших кулькового і роликового підшипників зобра­жено на мал. 87. Внутрішнє кільце підшипника, виготовлене з твердої сталі, насаджене на вал, а зовнішнє — закріплене в корпусі машини. Під час обертання вала внутрішнє кільце котиться по кульках або роликах, що містяться між кільцями.

Кулькові і роликові підшипники використовують у різних машинах: автомобілях, токарних верстатах, сільськогосподарських машинах, електричних двигунах, велосипедах /мал. 88,89/.

1. Які відомі вам спостереження й досліди показують, що існує тертя?

2. Яку силу називають силою тертя?

3. У чому причина тертя?

4. Яке мастило впливає на силу тертя? Поясніть це.

5. Які види тертя ви знаєте?

6. Як показати на дослідах, що при однакових навантаженнях сила тертя ковзання буде більша за силу тертя кочення? Як це використовується у техніці?

7. Яка сила утримує тіло на похилій площині?

8. Чому стіл зсувається з місця тільки під дією певної сили? Наведіть приклади практичного використання сили тертя спокою.

9. Наведіть приклади, які показують, що тертя може бути корисним. Яке значення тертя на транспорті?

10. Наведіть приклади, які показують, що тертя може бути шкідливим.

11. Які способи збільшення і зменшення тертя ви знаєте?

12. Як побудований підшипник ковзання?

13. Як побудований кульковий підшипник?

14. Який з них помітніше зменшує тертя?

29 ТИСК

По пухкому снігу людині йти важко, вона глибоко провалюється при кожному кроці /мал. 90/. Але надівши лижі, можна йти по снігу, майже не провалюючись у нього. Чому? На лижах або без лиж людина діє на сніг з тією самою силою, що дорівнює її вазі. Проте дія цієї сили в обох випадках неоднакова, бо різна площа поверхні, на яку тисне людина на лижах і без них. Площа поверхні лиж у кілька разів більша за площу підошви. Тому, стоячи на лижах, тиснемо на кожний квадратний сантиметр поверхні снігу із силою, у кілька разів. меншою ніж тоді, коли стоїмо на снігу без лиж.

Приколюючи кнопками до дошки оголошень якесь повідомлення, ми діємо на кожну кнопку з однаковою силою. Проте кнопка, що має гострий кінець, легше входить в дерево.

Отже, результат дії сили залежить не тільки від її величини, а й від площі тієї поверхні, перпендикулярно до якої вона діє.

На підтвердження сказаного проведемо такі досліди. На краях невеликої дошки забивають цвяхи. Дошку з цвяхами, повернутими вістрям угору, встановлюють на пісок і на дошку кладуть гирю /мал. 91/ Головки цвяхів тільки трохи занурюються в пісок. Потім дошку перевертають і ставлять цвяхи на вістря /мал. 92/ і теж кладуть гирю. У цьому разі площа опори менша, і під дією тієї самої сили цвяхи значно більше заглиблюються в пісок.

У кожному з розглянутих випадків (кнопки, лижник, цвяхи) сили діяли перпендикулярно до поверхні.

Тиском називається сила (вага), яка діє перпендикулярно на кожну одиницю площі.

Важкий гусеничний трактор масою десятки тисяч кілограмів чинить на грунт тиск усього в 2-3 рази більший, ніж хлопчик 40-50 кг. Це тому, що вага трактора розподіляється на велику площу. А ми встановили, що чим більша площа опори, тим менший тиск чинить та сама сила на цю опору.

Щоб зменшити тиск на грунт будинку, збільшують площу нижньої частини фундаменту.

Шини вантажних автомобілів і шасі літаків роблять значно ширшими, ніж легкових /мал. 93/.

Важкі машини, такі як трактор, танк, снігоболотохід /мал. 94/, маючи велику опорну площу гусениць, проходять по такій болотній місцевості, по якій не пройде людина.

При малій площі поверхні невеликою силою можна створити великий тиск.

При вдавлюванні кнопки в дерево створюється тиск у 1000 раз більший від тиску, що його чинить гусеничний трактор на грунт.

Леза різальних і вістря колючих інструментів (ножів, ножиць, різців, пилок, голок тощо) добре вигострюються. Гостре лезо має маленьку площу, тому навіть від малої сили створюється великий тиск, і таким інструментом легко працювати.

Завдання.

1. Обчисліть тиск цеглини на пісок різними по площі гранями. Не забудьте, що визначаючи тиск ділять вагу на площу опори.

2. Чи однаковий тиск чинять на стіл три цеглини, розміщені так, як показано на малюнку 95.

3. Чому людина, що йде на лижах, не провалюється у сніг?

4. Чому гостра кнопка легше входить в дерево, ніж тупа?

5. Що називають тиском?

6. Як визначають тиск?

7. Які одиниці тиску ви знаєте?

8. Для чого лопати, сапи загострюють?

9. Для чого в сільськогосподарських машинах роблять колеса з широкими ободами?

10. Чи є якась різниця між тиском людини на підлогу, коли вона стоїть і коли ходить? Поясніть,

ЕЛЕМЕНТИ СТАТИКИ

МОМЕНТ СИЛИ

Відділ механіки, який вивчає умови, при яких настає рівновага сил, що діють на тіло, називається статикою (від грецького слова “статос”, що означає стоячий).

Кімнатні двері можуть повертатися навколо вертикальної осі. Натиснувши на двері рукою недалеко від осі обертання, ми помітимо, що для того, щоб таким способом відкрити їх, треба прикласти значне зусилля. Навпаки, двері відкриваються легко, якщо діяти на них на великій відстані від осі. Через те і ручка на дверях укріплюється далеко від осі обертання /мал. 96/.

Ми побачили, що обертова дія сили залежить не лише від вели­чини сили, а й від віддалі від осі до точки прикладання сили.

Довжина перпендикуляра, проведеного від осі обертання до прямої, що збігається з напрямом дії сили, називається плечем сили.

Якщо тягти за ручку дверей так, щоб пряма, яка збігається з напрямом сили, проходила через вісь обертання, то двері не обертатимуться. В цьому випадку величина плеча сили дорівнює нулеві і сила не виконує ніякої обертової дії.

Обертова дія сили тим більша, чим більша величина сили і чим більше плече сили.

Величина, що дорівнює добуткові сили на її плече, називається моментом сиди.

На малюнку 97 показано як робітник відкручує гайку за допомогою гайкового ключа. Він прикладає силу Р. Відстань від осі до точки прикладання сили — плече сили. Момент сили дорівнює добутку сили на плече, тобто Р х l

Нехай маємо деяке тіло, яке не може рухатись поступально. Воно має вісь обертання. Нехай це тіло прибите цвяхом до стіни. Під дією якихось сил F₁ iF₂ /мал. 98/ воно може обертатись за стрілкою годинника або проти неї навколо осі О. У даному випадку сила F₁ має плече ОА. Момент сили F₁ х ОА. Сила F₂ мас плече ОВ. Момент цієї сили F₂ х 0В.

На дослідах доведено, що тіло, яке може обертатися навколо закріпленої осі, перебуває у рівновазі, якщо момент сили, що обертає тіло за стрілкою годинника, дорівнює моменту сили, що обертає тіло проти стрілки годинника.

Такі досліди ми проведемо на наступному уроці.

1. Що називається плечем сили?

2. Показати плечі сил на малюнках 96, 97, 98.

3. Що називається моментом сили?

4. Як знайти момент сили?

5. Знайдіть моменти сиди на малюнках 96, 97, 98.

6. Знайдіть моменти сил F₁ iF₂ на малюнку 99.

31 ВАЖІЛЬ. РІВНОВАГА СИЛ НА ВАЖЕЛІ.

Важіль — це тверде тіло, яке може обертатись навколо нерухомої опори.

На малюнку 100 зображено важіль, вісь обертання якого О (точка опори) розміщена між точками прикладання сил А і В. Обидві сили F₁ iF₂ ,які діють на важіль, напрямлені в один бік.

Щоб знайти плече сили, треба з точки опори опустити перпендикуляр на лінію дії сили. Довжина цього перпендикуляра і буде плечем даної сили. 3-малюнка видно, що ОА — плече сили F₁ , 0В — плече сили F₂ Сила F₁ обертає важіль за стрілкою годинника, а сила F₂ — проти руху стрілки годинника.

Щоб привести важіль до рівноваги можна провести дослід. Треба пам’ятати, що результат дії сили залежить не лише від величини сили, а й від того, в яків точці вона прикладена до тіла і як напрямлена.

До важеля з обох боків від точки опори підвішують різні тягарці так, щоб він щоразу був у рівновазі. Сили, які діють на важіль дорівнюють вазі цих тягарців. Для кожного випадку вимірюють величину сили і їх плечі. З малюнка видно, що сила 200 г зрівноважує силу 400 г. 3 малюнка теж видно, це плече меншої сили у 2 рази більше за плече більшої сили.

Знайдемо моменти сил

F₁ · АО = 200г х 4см = 800г/см

F₂ · ВО = 400г х 2см = 800г/см

Важіль буває у рівновазі, якщо момент сили справа від точки опори дорівнює моменту сили зліва від точки опори.

Важіль буде у рівновазі під дією двох сил, якщо момент сили, яка обертає важіль за рухом стрілки годинника, дорівнює моменту сили, яка обертає його проти руху стрілки годинника.

Це правило називають правилом моментів.

Момент сили показує, що він залежить і від величини сили і від її плеча. Ми вже знаємо, що двері тим легше повернути, чим далі від осі обертання прикладено силу, яка на них діє; гайку легше викрутити довгим гайковим ключем, ніж коротким.

Практичне завдання.

Прикладіть під середину лінійки олівець так, щоб лінійка була в рівновазі. Зрівноважте на такому важелі монети 5 коп. і 1 коп. Виміряйте плечі сил і обчисліть моменти сил, які діють на важіль і перевірте чи однакові вони. (Можна використати монети 1 коп. і 10 коп., 2 коп. і 5 коп.).

1. Як знайти момент сили?

2. Сформулюйте правило рівноваги важеля.

3. Довжина лівого плеча важеля 8см. На нього діє сила 200г. Довжина правого плеча важеля 4см. Яку силу треба прикласти до правого плеча, щоб важіль був у рівновазі?