СИЛА ПРУЖНОСТІ. ЗАКОН ГУКА. ВАГА ТІЛА. НЕВАГОМІСТЬ
Розділ 3 ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА
&27. СИЛА ПРУЖНОСТІ. ЗАКОН ГУКА. ВАГА ТІЛА. НЕВАГОМІСТЬ
Ми вже знаємо, що на всі тіла, які розміщуються на Землі або поблизу неї, діє сила тяжіння. Ця сила є причиною того, що тіла, позбавлені опор або підвісів, наприклад краплі дощу, кинутий угору камінь, листя, що відірвалося від гілки дерева, падають на Землю.
Дослід 1. Покладемо на дві опори сталеву пластину. Вона перебуватиме в горизонтальному положенні (мал. 122, а). Коли на середину неї поставимо гирю, то під дією сили тяжіння гиря разом зі сталевою пластиною
Мал. 122
Припинення руху можна пояснити так: крім сили тяжіння, яка діє на гирю і напрямлена вертикально вниз, згодом на неї почала діяти ще одна сила, напрямлена вгору.
Звідки виникла ця друга сила?
Зміну форми або розмірів тіла називають деформацією. Унаслідок руху тіла вниз сталева пластина прогинається – деформується. У результаті цього виникає сила, з якою пластина діє на гирю, що стоїть на ній. Ця сила напрямлена вгору, тобто в бік, протилежний силі тяжіння. Цю силу назвали
Сила пружності – це сила, що виникає внаслідок деформації тіла і напрямлена протилежно напряму переміщення частин тіла під час деформації.
Одним з видів деформації є згин. Що більше згинається опора, то більшою є сила пружності, яка діє з боку цієї опори на тіло. Перед тим як тіло (гирю) поклали на сталеву пластину, ця сила була відсутня. Під час
Переміщення гирі, яка дедалі більше прогинала пластинку, збільшувалася і сила пружності.
Властивості пружних тіл (пружин) дуже детально вивчав понад 300 років тому англійський природодослідник Роберт Гук. Його досліди дали змогу сформулювати закон, який було названо його іменем – закон Гука, а саме:
Сила пружності прямо пропорційна деформації (видовженню) тіла (пружини) і напрямлена протилежно напряму переміщення частин тіла під час деформації.
Якщо видовження тіла, тобто зміну його довжини, позначити через Ах (мал. 123, б), а силу пружності – через – Fпp, то закон Гука можна математично записати так:
Fпр = – k∆x,
Де k – коефіцієнт пропорційності, який називають жорсткістю тіла. У кожного тіла своє значення жорсткості. Знак “-” означає, що сила пружності напрямлена протилежно напряму деформації тіла.
Що більша жорсткість тіла (пружини, дроту, стержня тощо), то менше воно змінює власну довжину під дією даної сили.
Одиницею жорсткості в СІ є один ньютон на метр (1 Н/м).
Закон Гука дає змогу порівнювати між собою тіла з різною масою, тобто зважувати їх. Що більшої маси тіло підвішуємо до пружини, то більше вона розтягується. За цим принципом побудовано прилад для вимірювання сили – динамометр.
Дослід 2. Поставимо тіло на опору (мал. 123, а).
Унаслідок взаємодії деформується не лише опора, а й саме тіло, яке притягується Землею. Деформоване тіло тисне на опору із силою, яку називають вагою тіла Р. Якщо тіло підвісити до пружини, то воно деформується саме і при цьому розтягує пружину, у результаті чого виникає сила пружності (мал. 123, б). Тіло діє на підвіс із силою, яку називають вагою тіла Р.
Вага тіла – це сила, з якою тіло внаслідок притягання до Землі діє на горизонтальну опору або підвіс.
Не слід плутати силу тяжіння з вагою тіла.
Сила тяжіння діє на саме тіло з боку Землі, а вага цього тіла – це сила пружності, що діє на опору або підвіс. Якщо горизонтальна опора чи підвіс з тілом перебувають у стані спокою або рухаються прямолінійно й рівномірно, то вага тіла дорівнює силі тяжіння і визначають її за формулою:
Р = gm,
Де Р – вага тіла; g = 9,81 Н/м; т – маса тіла.
Мал. 123
Інколи плутають вагу тіла з його масою – це помилка. По-перше, це різні фізичні величини, з яких вага – напрямлена величина, вектор, а масу визначають лише числовим значенням. Вони характеризують різні властивості тіл і мають різні одиниці: для ваги – ньютон, для маси – кілограм. По-друге, кожне тіло завжди має певну незмінну масу, а вага тіла може змінюватися, якщо опора або підвіс нерівномірно рухається. У цьому разі вага тіла може збільшуватися або зменшуватися порівняно з вагою тіла на нерухомій опорі і навіть зникати, тобто дорівнювати нулю (стан невагомості). Наприклад, піднімаючи вантажі за допомогою підйомного крана, потрібно враховувати, що під час різких ривків вага вантажу збільшується, і трос може розірватися. Стоячи на платформі медичних терезів, ми помічаємо, що їх покази змінюються, якщо під час зважування присідати або рухати руками.
Вага тіла діє на будь-яку опору: підлогу, по якій ми ходимо, стілець, на якому ми сидимо, канат, за який ми вхопилися. Призначення опори – обмежувати рух тіла під дією сили тяжіння, звідси і її назва.
Починаючи з 4 жовтня 1957 p., коли космічна ракета вивела на орбіту перший штучний супутник Землі, почалася ера освоєння людиною космічного простору.
Людина побувала на Місяці, готується експедиція на Марс. Вам не раз доводилося чути, що космонавти під час польоту в космічному кораблі по орбіті навколо Землі перебувають в особливому стані, який називають невагомістю.
Що це за стан і чи можна його спостерігати на Землі?
Дослід 3. Верхній кінець пружини за допомогою нитки прикріпимо до нерухомої опори, а до нижнього підвісимо тягарець (мал. 124, а). Під дією сили тяжіння він починає рухатися вниз. Пружина розтягуватиметься доти, доки сила пружності, що виникає в ній, зрівноважить силу тяжіння.
Переріжемо або перепалимо нитку, яка утримує тіло з пружиною. Пружина і тіло починають вільно падати, при цьому розтяг пружини зникає, а це й означає, що тіло втратило вагу і не діє на підвіс (мал. 124, б). Сила тяжіння при цьому нікуди не зникла і змушує тіло падати на Землю.
Так само якщо швидкості падіння тіла і опори (підвісу) однакові, то тіло не діє на них, і його вага дорівнює нулю.
Якщо штучний супутник або космічна станція обертається навколо Землі, то всі предмети всередині них, а також космонавти рухаються з однаковою швидкістю відносно Землі. Унаслідок цього тіла, що розміщуються на підставках, не діють на них, підвішені до пружин тіла не розтягують їх, розлита з посудини вода плаває у вигляді великої краплі, маятникові годинники перестають працювати, космонавти без жодних зусиль пересуваються, “літаючи” або “плаваючи” в кораблі (мал. 125).
Мал. 124
Мал. 125
Мал. 126
Якби сила тяжіння раптово зникла, то космічний корабель унаслідок інерції віддалявся б від Землі в космічний простір по прямій лінії.
У стані невагомості перебуває будь-яке тіло під час вільного падіння. Якщо за звичайних умов не брати до уваги опір повітря, то в невагомості перебуває спортсмен, який стрибає з випіки в басейн або виконує вправи на батуті (мал. 126); кожен з нас короткочасно перебуває у стані невагомості під час бігу, коли обидві ноги відриваються від Землі.
Це цікаво знати
– У давні часи пружні властивості деяких матеріалів (зокрема, такого дерева, як тис) дали змогу нашим пращурам винайти лук – ручну зброю, призначену для метання стріл за допомогою сили пружності натягнутої тятиви.
– Винайдений близько 12 тис. років тому лук упродовж багатьох століть був основною зброєю майже всіх племен і народів світу. До винайдення вогнепальної зброї лук був найефективнішим бойовим засобом. Англійські лучники могли пускати до 14 стріл за хвилину, що під час масового використання луків у бою створювало цілу хмару стріл. Наприклад, кількість стріл, випущених у битві при Азенкурі (під час Столітньої війни), налічувала близько 6 мільйонів!
– Широке застосування цієї грізної зброї в середні віки викликало обгрунтований протест з боку певних кіл суспільства. У 1139 р. Латеранський (церковний) собор, який зібрався в Римі, заборонив застосування цієї зброї проти християн. Однак боротьба за “лучне роззброєння” не мала успіху, і лук як бойову зброю продовжували використовувати люди ще протягом 500 років.
– У наш час стрільба з лука є лише одним з видів спорту або мисливства.
ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО
1. Яку силу називають силою пружності? Коли вона виникає?
2. Сформулюйте закон Гука.
3. Що таке жорсткість тіла?
4. Що таке вага? Якії визначають? Чи завжди вона є сталою?
5. Що таке невагомість? Де її можна спостерігати?
