Магистраль

Если мы скажем: «Тело, на которое не действуют никакие силы, лежит неподвижно, таков закон физики» - то услышим в ответ, что-нибудь, типа « Ну и закон! Это ежу понятно! Это очевидно любому тупому ёжику!»
А что, насчёт такой формулировки «Тело, на которое не действуют никакие силы, движется равномерно и прямолинейно, причём движется бесконечно и никогда не остановится»?
С этим утверждением не все согласятся, а некоторые самые тупые ёжики вообще не согласятся никогда, сколько аргументов перед ними не выставляй. Это противоречит нашим повседневным наблюдениям, все движущиеся тела без действия сил останавливаются!
Но противоречие это основано на том, что мы никогда не видим тел без действия сил – всегда есть силы трения, сопротивления окружающей среды, которые действуют против движения и  останавливают его. Хотя мы можем видеть движение объектов, на которые действуют силы в сумме равные нулю. Например движущийся поезд разгоняется, если сила тяги локомотива больше сил сопротивления движению; замедляется, если меньше и движется равномерно, если эти силы равны.
Нужна была гениальность Галилея, чтобы разглядеть эту закономерность в природе. Этот закон называют ЗАКОНОМ ИНЕРЦИИ, и движение тел без действия сил называют ДВИЖЕНИЕМ ПО ИНЕРЦИИ.
Закон инерции Галилея так же называют Первым законом Ньютона.

А если на тело действует сила (или равнодействующая всех сил не равна нулю)? Тогда тело начинает двигаться ускоренно. Оно начинает разгоняться, или замедляться, если сила приложена против направления движения. Это второй закон Ньютона. Формулировка его такова: «Если на тело действует сила, то тело получает ускорение, прямо пропорциональное величине этой силы и обратно пропорциональное массе тела». Сила – векторная величина, схематически её изображают стрелкой, приложенной к телу. Единица измерения силы – Ньютон. Надо чётко понимать, что причиной ускорения может быть только действие силы; никак иначе ускорение не может возникнуть. Тело движется ускоренно – ищи силу, действующую на это тело, она обязательно есть. И обратное верно – если на тело действует сила – тело обязательно должно двигаться ускоренно. Если тело не движется – ищи другую силу, которая уничтожает действие первой.

Откуда берутся силы? Физика не признаёт всяких мистических воздействий, типа телекинеза, движения предметов при помощи мыслей. Сила возникает только при взаимодействии тел, как минимум двух. Первое тело действует на второе, а второе действует на первое. Причем силы их действия в Ньютонах равны по модулю и противоположны по направлению. Данное утверждение называют Третьим законом Ньютона.

Какие вообще есть силы в природе? Пока, на этом шаге изучения физики, мы рассматриваем только три: силу тяжести, силу упругости и силу трения.

Сила тяжести есть сила притяжения всех существующих тел к Земле. Она прямо пропорциональна массе тела и ускорению свободного падения в данном месте. Сила тяжести может быть измерена с помощью динамометра или пружинных весов. Правда с помощью пружинных весов мы измеряем не только силу тяжести, но и вес тела. Эти две силы (вес – тоже сила) одинаково направлены и часто равны по модулю. Из-за этого их нередко путают. Но это – разные силы. Сила тяжести действует со стороны Земли на тело, она приложена к телу. Вес – это сила, действующая со стороны тела на подвеску, опору, крюк, например, пружинных весов; она приложена к поверхности. Когда продавец на рынке взвешивает нам 5 кг картошки (это масса картошки), то вес этого количества картошки составляет 50 Ньютонов, и сила тяжести, действующая со стороны Земли на это картошку тоже равна 50 Ньютонов. Но бывают случаи, когда вес и сила тяжести не равны. Например торговец стал бы ускоренно опускать вниз весы, вместе с прицепленным к крюку мешком с картошкой. Весы бы показали меньший вес, хотя сила тяжести осталась бы та же самая.  Если весы ускоренно поднимать – они покажут больший вес. Если весы вообще отпустить, и они станут падать – оно покажут «ноль», веса не будет вообще, для картошки наступила невесомость.
Космонавт в разгоняющейся ракете имеет вес много больший, чем его вес, лёжа на диване, это называется перегрузка. Зато, когда ракета вышла на заданную орбиту, её двигатели отключились, и она, по сути, начала падение – космонавт попадает в состояние невесомости, как наша картошка.

Сила упругости – это сила, которая при деформации тела стремится вернуть его в первоначальное недеформированное состояние. Сила упругости – это внешнее макроскопическое проявление свойств молекул тела взаимно притягиваться и отталкиваться. Сила упругости (измеряется в Ньютонах, как и любая другая сила) прямо пропорциональна величине деформации тела. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом упругости или жесткостью. Он неодинаков для разных тел и упругих устройств (пружин, амортизаторов, рессор). Иногда деформация мала, ею при решении задачи можно пренебречь. Назовем это тело абсолютно жестким (недеформируемым). Но сила упругости все равно есть, и порой – довольно значительна. Книга лежит на столе, но не падает вниз. Со стороны жесткого стола действует сила упругости, равная весу книги, но направлена противоположно, точнее говоря – строго перпендикулярно поверхности стола. Перпендикуляр называется НОРМАЛЬ, поэтому в данном случае мы силу упругости называем силой НОРМАЛЬНОЙ РЕАКЦИИ ОПОРЫ. Нити и тросы в задачах часто заданы НЕРАСТЯЖИМЫМИ. Но на самом деле конечно все нити хоть незначительно, да деформируются, и возникает сила упругости, направленная в сторону, противоположную силе, вызвавшей деформацию, но равная ей по модулю. Такая сила называется силой НАТЯЖЕНИЯ  НИТИ.

Сила трения скольжения  имеет причиной зацепление неровностей соприкасающихся тел. Если к лежащему на столе бруску приложить некую силу, то он не сдвинется с места, благодаря силе трения покоя. Плавно увеличим внешнюю силу и, наконец, брусок начнёт двигаться. Непосредственно перед началом движения сила трения покоя имела максимальное значение. Потом стала действовать сила трения скольжения. В задачах под термином СИЛА ТРЕНИЯ понимают чаще всего именно МАКСИМАЛЬНУЮ СИЛУ ТРЕНИЯ ПОКОЯ. Если имеется в виду сила трения скольжения, или качения, или сопротивления внешней среды – то это специально оговаривается. Сила трения пропорциональная силе нормальной реакции опоры и коэффициенту трения, который в свою очередь зависит от материала соприкасающихся тел, от гладкости их поверхностей, наличия смазки. Сила нормальной реакции тут как-то нелогично, правильней было бы сказать – «от силы прижатия трущихся поверхностей». Но сила прижатия может иметь разную природу: вес, давление воздуха, жидкости, магнит и прочее. А сила нормальной реакции как-то более универсальна. Она же всегда равна силе прижатия. И направлена очень правильно – строго перпендикулярно поверхности трущихся  тел.

В кинематике, когда мы рассматривали равномерное движение по окружности, мы говорили, что скорость от точки к точке изменяется не по величине, но по направлению. Изменение скорости – есть ускорение. То есть тело по окружности всегда движется с ускорением – это ускорение направлено к центру окружности и называется центростремительным (стремится к центру). Но согласно второму закону Ньютона ускорение всегда порождается силой. Поэтому на тело при круговой траектории всегда действует какая-нибудь сила, направленная так же, как и ускорение – к центру окружности. Если тело привязано к оси вращения нитью – это сила упругости нити. Если тело лежит на вращающемся диске – это сила трения между телом и диском…
Ньютон предположил, что движение, например, Луны вокруг Земли, происходит так же под действием силы притяжения Луны Землёю, оно – то и придаёт Луне центростремительное ускорение. Расчёты и астрономические наблюдения подтвердили гипотезу Ньютона. Но так же движутся и планеты вокруг Солнца, и спутники планет (например Фобос и Деймос у Марса). Значит силы притяжения есть не только между Землёй и Луной, но и между ними тоже. Такие рассуждение привели Ньютона к открытию Закона всемирного тяготения. Он таков: «Все тела , абсолютно все тела в мире, притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними». Там есть ещё коэффициент пропорциональности, который называется гравитационная постоянная.
Этот закон проверен экспериментально Генри Кавендишем (и повторили проверку многие другие физики). Они замерили притяжение шаров, хоть и довольно массивных, но всё же намного меньших, чем масса земли ми планет.
По типу естественных спутников (Луны) можно создавать искусственные спутники. Искусственным спутником Земли может стать любое тело, если его кинуть с земной поверхности с так называемой «первой космической скоростью». Правда, расчётная «первая космическая» не учитывает сопротивления воздуха, которое довольно велико. Поэтому реальные спутники запускают с серьёзно большей скоростью.

Это было супер краткое конспективное изложение материала раздела 1.2 Динамика. Выше было всё то же самое, но чуток поподробнее. А сильно подробно нигде не будет. Наш девиз – излагать всё как можно лаконичнее, чтобы не вызвать отвращения у ребят, читающих наш учебник.

<<< Назад I Вперед >>>