Alterna · Физика · 2.3

01

Сила

Сила — мера взаимодействия тел.

Что такое сила?

Сила — это физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое. Сила — векторная величина: она имеет модуль, направление и точку приложения.

Обозначение: F. Единица: ньютон (Н).

1 Н — это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с².

Виды сил в механике

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает тело
Сила упругости — сила, возникающая при деформации
Вес тела — сила, с которой тело действует на опору или подвес
Сила трения — сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого
Сила реакции опоры — сила, с которой опора действует на тело

02

Сила тяжести. Явление тяготения

Земля притягивает все тела. Почему?

Закон всемирного тяготения

Сила тяжести — это сила, с которой Земля притягивает к себе тело.

F = m · g

где g = 9.8 Н/кг — ускорение свободного падения.

Сила тяжести всегда направлена вниз, к центру Земли.

🦉Свободное падение на планетах

IV-016 · Анимация падения с реальным ускорением g

Планета: Масса m: 10 кг

🎯Опыт Галилея: два шара падают одновременно

IV-016B · Масса не влияет на ускорение свободного падения

Масса левого: 1 кг Масса правого: 50 кг

Галилей доказал: все тела падают с одинаковым ускорением. Масса не важна! Нажмите «Бросить шары!»

03

Сила упругости. Закон Гука

Почему пружина растягивается и сжимается?

Сила упругости

Сила упругости — сила, возникающая в теле при его деформации и стремящаяся вернуть его в исходное состояние.

Закон Гука

F = k · Δl

где k — жёсткость (Н/м), Δl — удлинение (м).

Сила упругости направлена противоположно деформации.

🔧Закон Гука — пружинный динамометр

IV-017 · F = k·Δl, интерактивная пружина

Масса груза m: 1 кг Жёсткость k: 50 Н/м

04

Вес тела. Связь с силой тяжести

Вес — это не масса! Разница важна.

Вес тела

Вес — это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес.

Вес обозначается P, измеряется в ньютонах (Н).

Если тело покоится: P = F_тяж = mg

Разница: сила тяжести приложена к телу, вес — к опоре.

Это любопытно: Невесомость

На орбитальной станции космонавты находятся в невесомости: P = 0. Это не значит, что там нет гравитации! Просто станция и всё внутри неё движутся с одной скоростью, не давя друг на друга.

05

Равнодействующая сила

Что делать, если на тело действует несколько сил?

Равнодействующая

Равнодействующая сила — это сила, которая заменяет действие нескольких сил, приложенных к телу.

Силы направлены в одну сторону: R = F₁ + F₂
Силы направлены в противоположные стороны: R = |F₁ − F₂|
Силы направлены под углом — складываются по правилу параллелограмма

➤Сложение сил (равнодействующая)

IV-018 · векторный калькулятор сил

F₁: 10 Н F₂: 5 Н Направление F₂:

06

Динамометр

Прибор для измерения силы.

Динамометр

Динамометр — прибор для измерения силы. Основан на законе Гука: пружина растягивается пропорционально приложенной силе.

Шкала проградуирована в ньютонах. Груз массой 1 кг растягивает пружину на силу 9.8 Н ≈ 10 Н.

🔠Динамометр — измерение силы

IV-020 · интерактивный прибор

Приложить силу F: 5 Н

Ц

Что нужно понимать

Результат 1Объяснять физический смысл темы «Силы» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: сила, сила тяжести, сила упругости.

Результат 3Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.

Т

Термины темы

Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.

сила: Векторная мера взаимодействия, вызывающего ускорение тела или его деформацию.
сила тяжести: Сила гравитационного притяжения тела Землёй или другим небесным телом.
сила упругости: Сила, возникающая при деформации и направленная против изменения формы или размеров тела.
вес: Сила, с которой тело вследствие взаимодействий действует на опору или подвес.
равнодействующая: Векторная сумма всех сил, приложенных к выбранному телу.

Ф

Происхождение и вывод формул

Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.

F_{\text{тяж}}=mg

следствие модели

Сила тяжести. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

\vec F=m\vec a

Второй закон Ньютона связывает равнодействующую силу с ускорением тела.

\vec a=\vec g

В модели свободного падения вблизи поверхности Земли тело получает ускорение свободного падения.

\vec F_{\text{тяж}}=m\vec g

Если сопротивлением воздуха пренебречь, это ускорение создаёт сила тяжести.

Условия: Небольшие высоты около поверхности небесного тела, g считают постоянным; масса тела мала по сравнению с массой планеты. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

F_{\text{упр}}=k\Delta l

эмпирический закон

Закон гука. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

F_{\text{упр}}\sim\Delta l

Опыты с пружиной устанавливают пропорциональность модуля силы упругости малому удлинению.

k=\frac{F_{\text{упр}}}{\Delta l}

Коэффициент пропорциональности k называют жёсткостью пружины.

F_{\text{упр}}=k\Delta l

Это эмпирический закон Гука для модулей; направление силы противоположно деформации.

Условия: Малая упругая деформация в пределах пропорциональности, температура и свойства пружины неизменны; для векторов нужен знак минус. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

\vec R=\sum_i\vec F_i

определение

Равнодействующая. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

\vec F_1,\vec F_2,\ldots

Каждая сила имеет модуль и направление, поэтому силы складывают как векторы.

\vec R=\vec F_1+\vec F_2+\dots

Вектор R определяют как сумму всех внешних сил. Он полностью описывает их поступательное действие на материальную точку или центр масс; для протяжённого тела необходимо отдельно учитывать суммарный момент сил.

Условия: Все силы приложены к одному материальному телу; для протяжённого тела при изучении вращения дополнительно учитывают моменты сил. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

!

Границы модели и типичные ошибки

Ошибка: забыть условие моделиНельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает тело

Как проверить рассуждениеСила упругости — сила, возникающая при деформации Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Σ

Вывод по теме

Силы

Сила — это не просто слово. Это физическая величина, которая двигает, тянет, толкает и останавливает всё вокруг. Разберём семь видов сил и научимся их измерять.

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает тело
Сила упругости — сила, возникающая при деформации
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.