§ 2. Досліджуємо сили, що діють на рухоме тіло

• Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

1. Який тип руху здійснював Влад до початку гальмування?

До початку гальмування Влад здійснював рівномірний прямолінійний рух, оскільки його швидкість була сталою і становила близько 18 км/год.

2. Як змінився характер руху після початку гальмування? Як називають такий рух?

Після початку гальмування швидкість велосипеда почала стрімко зменшуватися до повної зупинки. Такий рух називають рівносповільненим прямолінійним рухом (або просто сповільненим рухом).

3. Які сили спричинили зміну швидкості велосипеда?

Зміну швидкості велосипеда спричинила сила тертя між гальмівними колодками та колесом, а також сила тертя кочення між шинами і поверхнею дороги.

4. Як на процес гальмування могли вплинути: маса велосипеда та Влада, стан дорожнього покриття?

Маса велосипеда та Влада визначає інертність системи: чим більшою є загальна маса, тим важче змінити швидкість тіла і тим довшим буде гальмівний шлях за однакової сили гальмування. Стан дорожнього покриття безпосередньо впливає на коефіцієнт тертя: на сухому й шорсткому асфальті сила тертя є максимальною, що забезпечує швидке зупинення, тоді як на мокрій, засипаній піском або зледенілій дорозі коефіцієнт тертя значно зменшується, що суттєво збільшує гальмівний шлях.

5. Якою стала би траєкторія руху Влада, якби він не загальмував?

Якби Влад не загальмував, траєкторія його руху залишилася б прямолінійною, і він продовжив би рухатися вперед у напрямку перешкоди.

ДОСЛІДЖУЙ

1. Як згадані змінні «маса велосипеда та Влада», «стан дорожнього покриття» відображено за допомогою запропонованого обладнання?

Маса велосипеда та Влада моделюється за допомогою дерев’яного бруска та металевих тягарців, які можна кріпити на брусок для зміни його загальної маси. Стан дорожнього покриття відображено за допомогою металевої пластини та наждачної стрічки, якими за потреби накривають поверхню парти, щоб змінювати шорсткість та силу тертя під час руху бруска.

2. Які параметри руху ти вимірюватимеш або спостерігатимеш під час цього експерименту, щоб перевірити свої відповіді на запитання ситуації (1)?

Під час експерименту необхідно вимірювати час руху бруска до повної зупинки та довжину шляху гальмування (відрізок, який долає брусок після спуску з похилої площини до моменту зупинки), а також спостерігати за характером зміни швидкості (уповільненням руху).

ДУМАЙ

1. Наведи приклад ситуації, яка ілюструє зміну швидкості руху тіла.

Прикладом зміни швидкості руху тіла є гальмування автомобіля перед пішохідним переходом, коли його швидкість поступово зменшується до повної зупинки.

**2. Що таке сила у фізиці? Які параметри необхідно вказати для повного опису сили? **

Сила — це векторна фізична величина, яка є мірою взаємодії тіл. Для повного опису сили вказують її значення (модуль), напрямок і точку прикладання.

3. У яких одиницях вимірюють силу в системі СІ? Як визначається ця одиниця?

У системі СІ силу вимірюють у ньютонах (Н). Один ньютон — це сила, яка надає тілу масою $1\text{ кг}$ прискорення $1\text{ м/с}^2$

4. Який прилад використовують для вимірювання сили? На якому принципі ґрунтується його дія?

Для вимірювання сили використовують динамометр. Його дія ґрунтується на законі Гука — залежності деформації пружини від сили, що на неї діє.

5. У тексті згадується сила тяжіння як гравітаційна сила. Як вона відрізняється від сил пружності та тертя, згаданих як сили електромагнітної природи?

Сила тяжіння зумовлена гравітаційною взаємодією між тілами, тоді як сили пружності та тертя мають електромагнітну природу, що виникає внаслідок взаємодії атомів і молекул, з яких складаються тіла.

6. Які сили (дві конкретні, названі в тексті) спричинили зміну швидкості велосипеда в описаній ситуації на початку параграфа?

Зміну швидкості велосипеда в тексті параграфа спричинили сила тертя та сила опору повітря.

7. Уяви, що Влад різко загальмував, але не зупинився повністю, а лише зменшив швидкість. Якою була б рівнодійна сила, що діяла на нього в цей момент?

Рівнодійна сила була б напрямлена протилежно до напрямку руху велосипеда.

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Тяжкий вантаж тягнуть двоє людей, прикладаючи в одному напряму сили 30 Н і 45 Н. Сила опору руху — 15 Н. Чому дорівнює рівнодійна всіх сил, що діють на вантаж?

Відомо:

• $F_{1} = 30\text{ Н}$
• $F_{2} = 45\text{ Н}$
• $F_{\text{оп}} = 15\text{ Н}$

Знайти:

• $F_{p} - ?$

Розв’язання:

$F_{p} = (F_{1} + F_{2}) - F_{\text{оп}}$

$F_{p} = (30 + 45) - 15 = 75 - 15 = 60\text{ Н}$

Відповідь: 60 Н.

2. На тіло діють три сили, напрямлені вздовж однієї прямої. Модулі цих сил дорівнюють 1 Н, 2 Н і 3 Н. Чи можуть ці сили врівноважити одна одну? Чому може дорівнювати рівнодійна цих сил за модулем?

Так, ці сили можуть врівноважити одна одну, якщо сили $1\text{ Н}$ і $2\text{ Н}$ напрямлені в один бік, а сила $3\text{ Н}$ — у протилежний.

Рівнодійна цих сил за модулем залежно від напрямків може дорівнювати:

• $0\text{ Н}$ (якщо $1 + 2 - 3 = 0$);
• $2\text{ Н}$ (якщо $3 + 1 - 2 = 2$);
• $4\text{ Н}$ (якщо $3 + 2 - 1 = 4$);
• $6\text{ Н}$ (якщо $1 + 2 + 3 = 6$).

3 До тіла прикладено силу 5 Н, напрямлену горизонтально, і силу 4 Н, напрямлену під кутом 60° до першої сили. Яка рівнодійна цих сил?

Відомо:

• $F_1 = 5\text{ Н}$
• $F_2 = 4\text{ Н}$
• $\alpha = 60^\circ$

Знайти:

• $F_p - ?$

Розв’язання:
Рівнодійну сил, що діють під кутом, знаходять за теоремою косинусів:
$F_p = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + 2 \cdot F_1 \cdot F_2 \cdot \cos\alpha}$

$F_p = \sqrt{5^2 + 4^2 + 2 \cdot 5 \cdot 4 \cdot \cos 60^\circ}$
$F_p = \sqrt{25 + 16 + 40 \cdot 0{,}5}$
$F_p = \sqrt{41 + 20} = \sqrt{61} \approx 7{,}81\text{ Н}$

Відповідь: рівнодійна сил становить приблизно 7,81 Н.

4 Уяви, що двоє однокласників тиснуть на тебе так, як показано на малюнку 2.6. У якому напрямі ти перемістишся і яким буде модуль результуючої дії, якщо F1 = 30 H, F2 = 40 H.

Відомо:

• $F_1 = 30\text{ Н}$ (горизонтальна сила)
• $F_2 = 40\text{ Н}$ (вертикальна сила)
• Кут між ними $\alpha = 90^\circ$ (згідно з малюнком 2.6)

Знайти:

• $F_p - ?$

Розв’язання:
Оскільки сили діють під кутом $90^\circ$, застосовуємо теорему Піфагора:
$F_p = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}$

$F_p = \sqrt{30^2 + 40^2} = \sqrt{900 + 1600} = \sqrt{2500} = 50\text{ Н}$

Напрям переміщення буде по діагоналі паралелограма (53° до першої сили), утвореного векторами сил $F_1$ та $F_2$.

Відповідь: модуль результуючої дії становить 50 Н, напрям — по діагоналі між векторами сил.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

Проблемне питання: Які ознаки та наслідки взаємодії тіл можна спостерігати? Як тіла діють одне на одне?

Ознаками взаємодії є зміна швидкості руху тіла (прискорення) або його деформація. Наслідком взаємодії є зміна стану руху тіла або зміна його форми та розмірів. Тіла діють одне на одне двосторонньо: якщо одне тіло діє на інше з певною силою, то друге тіло діє на перше з такою самою за модулем і протилежною за напрямом силою.

Штовхніть візок пальцем. Що відбулося з візком? Що ви відчули пальцем?

Візок почав рухатися, змінивши свій стан спокою на стан руху. Пальцем було відчуто опір з боку візка, що свідчить про його дію на палець.

Зупиніть візок рукою. Що з ним відбулося? Що ви відчули рукою?

Візок зупинився, змінивши свою швидкість до нуля. Рукою було відчуто удар (тиск) з боку візка, що свідчить про його дію на руку під час зупинки.

Візьміть гумку (або пружину) і розтягніть її. Що відбулося з гумкою? Що ви відчули пальцями?

Гумка змінила свою форму (розтягнулася), а пальці відчули опір матеріалу, що намагається повернутися у початковий стан.

Стисніть шматок пластиліну. Що відбулося з пластиліном? Що ви відчули?

Пластилін змінив свою форму (деформувався), а пальці відчули його податливість та опір під час стискання.

Покладіть пластилін на стіл і вдарте по ньому рукою. Що відбулося з пластиліном? А з вашою рукою?

Пластилін сплющився та змінив форму, а рука відчула віддачу (удар) від поверхні пластиліну.

1. Які ознаки взаємодії ви спостерігали?

Ознаками взаємодії є зміна швидкості руху тіла або зміна його форми (деформація).

2. Як ви переконалися, що взаємодія завжди є двосторонньою?

Я переконався у двосторонньому характері взаємодії, оскільки при дії на предмет (пластилін чи візок) я не лише змінював його стан, а й відчував дію цього предмета на власні пальці чи руку.

3. Чи підтвердилися ваші початкові гіпотези?

Гіпотези підтвердилися: взаємодія тіл завжди є двосторонньою (наприклад, під час штовхання візка палець діє на візок, а візок діє на палець), а її наслідками є зміна швидкості руху тіл або їхня деформація.

4. Сформулюйте загальний висновок про те, що таке взаємодія тіл, які її основні ознаки та наслідки.

Взаємодія тіл — це фундаментальне явище, що характеризує дію одного тіла на інше. Основними ознаками взаємодії є її двосторонній характер (тіла діють одне на одне одночасно). Основними наслідками взаємодії є зміна стану руху тіла (зміна швидкості, поява прискорення) або його деформація (зміна форми чи розмірів).