Силы в механике

Российский  Государственный Аграрный Университет -  Московская Сельскохозяйственная Академия  имени К.А. Тимирязева

Кафедра физики  
 

Реферат на тему: «Силы в  механике»  
  
  
  
  
                 

                                                                                                                                                                  выполнила:                                                                                               

 студентка                                                                                              

106 группы                                                                                              

 Енюшкина Кристина                                                                                                

проверил:                                                                                               

Пронин Б.В.  
  
  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           Москва  2012

 

                 

  Содержание 

 

 

 

Введение 

 

 

Понятие силы

 

 

Законы Ньютона

 

 

Силы трения

 

 

Закон сохранения импульса

 

 

Заключение

 

 

Список используемой литературы 

 
  
  
  
  
 

 

 

 

Введение

 

 

 

 

  Физика-наука о наиболее общих  свойствах материи и формах  её движения.

Известны два вида материи:  вещество и поле. К первому  виду материи –веществу относятся  атомы, молекулы и все построенные  из них тела. Второй вид образуют  гравитационные, электромагнитные  и другие поля. Материя находится  в непрерывном движении, под которым  понимается всякое изменение  вообще.    

 Физика разделяется на классическую и квантовую. Начало классической физики было положено Ньютоном, сформулировавшим основные законы механики. Завершена она созданием Эйнштейном теории относительности.    

 На пороге двадцатого столетия  появилось понятие кванта, играющее  в современной физике исключительно  важную роль и приведшее к  созданию квантовой механики, в  основу которой положен корпускулярно-волновой  дуализм.     

 Классическая механика принципиально  отличается от квантовой детерминированностью описания физических процессов и явлений.    

 Физика - экспериментальная наука.  Её законы базируются на фактах, установленных опытным путём.  На основе экспериментальных  наблюдений и измерений строятся  физические теории. Результаты экспериментальных  наблюдений и предсказания теории  могут быть всегда сведены  к зависимостям и числам. Поэтому  языком физики является математика.    

 В зависимости от условий конкретных  задач в физике используются  различные физические модели. Реальные  объекты заменяют их идеализированными  моделями, приблизительно правильно  отражающими не все свойства реальных объектов, а только те из них, которые существенны в рассматриваемом круге вопросов. Простейшими моделями являются: материальная точка, абсолютно твёрдое тело, идеальный газ, электронный  газ.

 

   Понятие силы

 

 

 

     В инерциальных системах отсчета  любое изменение скорости тела  происходит под действием других  тел. Описывая действие одного  тела на другое, мы часто говорим  о слабом, сильном или очень  сильном действии. Но значение  слов «сильный удар», «слабый  удар», например, при описании  действия клюшки хоккеиста на  шайбу совершенно не определено, пока нет количественной меры  действия одного тела на другое.    

 В физике для количественного  выражения действия одного тела  на другое вводится понятие  «сила». Если учесть, что в результате  действия других тел скорость  тела меняется, то можно дать  и другое определение силы  – это количественная мера  действия тел друг на друга,  в результате которого тела  получают ускорения.    

 Нужно отчетливо представлять  себе, что понятие силы относится  к двум телам, а не к одному  и не ко многим. Всегда можно  указать тело, на которое действует  сила, и тело, со стороны которого  она действует. Так, сила тяжести  действует на камень со стороны  Земли, а на шарик, прикрепленный  к растянутой пружине, действует  сила упругости со стороны  пружины.    

 Сила – величина векторная,  ее обозначают буквой. За направление  вектора силы принимается направление  вектора ускорения тела, на которое  действует сила.    

 В Международной системе единиц  за единицу силы принимается  сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с². Эта единица называется ньютоном (Н).    

 В качестве эталона единицы  силы выбирают силу, с которой  некоторая определенная (эталонная)  пружина при фиксированном растяжении  действует на прикрепленное к  ней тело. Сила упругости пружины  направлена вдоль оси пружины. (Необязательно брать именно пружину;  можно использовать любое упругое  тело, деформацию которого легко  измерить.)    

 На практике нет необходимости все измеряемые силы сравнивать с эталоном. Для измерения сил используют проградуированную на различные значения силы пружины. Такие откалиброванные пружины называются динамометрами. Использование динамометра основано на том факте, что сила упругости пружины в определенных пределах прямо пропорциональна ее деформации. Поэтому по длине растянутой пружины можно непосредственно судить о значении силы.    

 Располагая методом измерения сил, можно опытным путем доказать, что силы складываются, как векторы. Именно это дает основание считать силу, подобно скорости и ускорению, векторной величиной.    

 При одновременном действии на одно тело нескольких тел тело движется с ускорением, являющимся векторной суммой ускорений, которые возникли бы под действием каждого тела в отдельности. Действующие на тело силы, приложенные к одной точке тела, складываются по правилу сложения векторов. Векторная сумма всех одновременно действующих на тело сил называется равнодействующей.    

 В механике важно знать, при каких условиях возникают силы, и каковы их модули и направления, т. е. знать, как силы зависят от расстояний между телами и от скоростей их движения. А узнать значения сил, определить, когда и как они действуют, можно, не вникая в природу сил, а лишь располагая способами их измерения. В механике в первую очередь имеют дело с тремя видами сил: гравитационными силами, силами упругости и силами трения. Модули и направления этих сил определяются опытным путем. Важно, что все рассматриваемые в механике силы зависят либо только от расстояний между телами или частями одного тела (гравитация и упругость), либо только от относительных скоростей тел (трение).  
  
  
  
  
  

 

 

 

 

Законы  Ньютона

 

 

 

 

     Основным разделом механики является  динамика, в её основе лежат  три закона Ньютона, сформулированные им в 1687 г. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются обобщением результатов огромного человеческого опыта. Их рассматривают как систему взаимосвязанных законов и опытной проверке подвергают не каждый отдельный закон, а всю систему в целом.     

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит её изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчёта – систем, относительно которых материальная точка либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой, пропорционально вызывающей его силе, совпадает с нею по направлению и обратно пропорционально массе материальной точки тел. Это основной закон динамики поступательного движения. Отвечает на вопрос, как изменяется механическое движение материальной точки тела под действием приложенных к ней сил. Справедлив только в инерциальных системах отсчёта.

F=ma=m*dv/dt.      

Учитывая, что масса материальной точки в классической механике ест величина постоянная, в выражении её можно внести под знак производной:

F=d*mv/dt,

mv=p.     

 Таким образом, можем получить более общую формулировку второго закона Ньютона:

F=dp/dt.     

Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки:

F₁₂= - F_21,

где F₁₂ – сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F₂₁ – сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам, всегда действуют парами и являются силами одной природы.    

 Третий закон Ньютона позволяет  осуществить переход от динамики  отдельной материальной точки  к динамике системы материальных  точек. Это следует из того, что и для системы материальных  точек взаимодействие сводится  к силам парного взаимодействия  между материальными точками.       

 
 

 

Силы  трения

 

 

При соприкосновении  движущихся (или приходящих в движение) тел с другими телами, а также  с частицами вещества окружающей среды возникают силы, препятствующие такому движению. Эти силы называют силами трения. Действие сил трения всегда сопровождается превращением механической энергии во внутреннюю и вызывает нагревание тел и окружающей их среды.

Существует внешнее и внутреннее трение (иначе называемое вязкостью). Внешним называют такой вид трения, при котором в местах соприкосновения твердых тел возникают силы, затрудняющие взаимное перемещение тел и направленные по касательной к их поверхностям.

Внутренним трением (вязкостью) называется вид трения, состоящий в том, что при взаимном перемещении. слоев жидкости или газа между ними возникают касательные силы, препятствующие такому перемещению.

Внешнее трение подразделяют на трение покоя (статическое трение) и кинематическое трение. Трение покоя возникает между неподвижными твердыми телами, когда какое-либо из них пытаются сдвинуть с места. Кинематическое трение существует между взаимно соприкасающимися движущимися твердыми телами. Кинематическое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

В жизни  человека силы трения играют важную роль. В одних случаях он их использует, а в других борется с ними. Силы трения имеют электромагнитную природу.

 

Трение  покоя:

Наблюдения  показывают, что сила трения покоя всегда направлена противоположно действующей на тело внешней силе, стремящейся привести это тело в движение. До определенного момента сила трения покоя увеличивается с возрастанием внешней силы, уравновешивая последнюю. Максимальное значение силы трения покоя пропорционально модулю силы F_д давления, производимого телом на опору.

По третьему закону Ньютона сила F_д давления тела на опору равна по модулю силе N реакции опоры. Поэтому максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры. Для модулей этих сил справедливо следующее соотношение:

F_п=f_пN,    

где f_п - безразмерный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения покоя. Значение этого коэффициента зависит от материала и состояния трущихся поверхностей.

Определить  значение коэффициента трения покоя  можно следующим образом. Пусть  тело (плоский брусок) лежит на наклонной плоскости АВ На него действуют три силы: сила тяжести F, сила трения покоя F_п и сила реакции опоры N. Нормальная составляющая F_п силы тяжести представляет собой силу давления F_д, производимого телом на опору,

т. е.

F_Н=F_д.    

Тангенциальная составляющая F_т силы тяжести представляет собой силу, стремящуюся сдвинуть тело вниз по наклонной плоскости.

При малых углах наклона a сила F_т уравновешивается силой трения покоя F_п и тело на наклонной плоскости покоится (сила N реакции опоры по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе F_д, т. е. уравновешивает ее).

Будем увеличивать угол наклона a до тех пор, пока тело не начнет скользить  вниз по наклонной плоскости. В этот момент

F_т=F_пmax    

 

f_п=F_т/F_н    

 

F_т=Fsina = mg sina; F_н=Fcosa = mg cosa.

 

f_н=sina/cosa=tga.   

Измерив угол a, при котором начинается скольжение тела, можно по формуле вычислить значение коэффициента трения покоя f_п.

 

 

Виды  кинематического трения:

Трение  скольжения возникает при скольжении одного твердого тела по поверхности другого. Закон для трения скольжения имеет вид

F_c= f_cN,    

где F_c - модуль силы трения скольжения; f_c - безразмерный коэффициент трения скольжения; N - модуль силы реакции опоры. Значение f_c зависит от того, из каких веществ изготовлены трущиеся поверхности и от качества их обработки. Если сделать поверхности более гладкими, значение f_c уменьшится. Однако уменьшать шероховатость поверхностей можно лишь до определенного предела, так как при очень гладких (например, полированных) поверхностях значение f_c вновь увеличивается. Происходит это потому, что молекулы тел с гладкими поверхностями близко подходят друг к другу и силы молекулярного притяжения между ними вызывают "прилипание" тел, препятствующее их скольжению. Трение качения возникает при качении (без скольжения) твердых тел круглой формы по поверхности других твердых тел.