ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

• Назад до змісту довідника

ПЕРЕВІР СЕБЕ

Як ти вмієш досліджувати природу

1. Уяви, що ви з друзями вирішили перевірити, чи дійсно зміна стану руху зумовлена дією сил.

• Сформулюй гіпотезу: за яких умов швидкість тіла може змінюватися?

Швидкість тіла може змінюватися за величиною або напрямком лише тоді, коли на нього діє нескомпенсована сила з боку інших тіл.

• Чи можлива зміна швидкості тіла без дії інших тіл? Обґрунтуй відповідь.

Зміна швидкості тіла без дії інших тіл неможлива. Згідно з першим законом Ньютона, тіло зберігає стан спокою або прямолінійного рівномірного руху доти, доки дія інших тіл не змусить його змінити цей стан. Будь-яке прискорення завжди свідчить про наявність взаємодії.

• Обери тіла, з якими проводитимеш досліди. Ти можеш проводити дослідження у фізичній лабораторії зі спеціальним обладнанням або просто на вулиці з наявними у тебе засобами (наприклад, скейтбордами, інерційними машинками тощо).

Для проведення досліду на вулиці я обираю скейтборд і м’яч.

• Склади план свого дослідження.

1. Покласти м’яч на рівну горизонтальну ділянку асфальту та переконатися, що він залишається в спокої без зовнішнього впливу.
2. Штовхнути м’яч рукою вперед, створивши короткочасну нескомпенсовану дію, і зафіксувати зростання швидкості від нуля.
3. Простежити за коченням м’яча після поштовху та зафіксувати його поступове сповільнення до повної зупинки під дією сили тертя й опору повітря.
4. Встати на скейтборд і відштовхнутися ногою від землі, спостерігаючи за зміною швидкості скейтборда внаслідок сили відштовхування.
5. Порівняти спостереження та зробити висновок про те, що зміна швидкості в обох випадках виникає внаслідок дії нескомпенсованих сил.

• Які величини ти спостерігатимеш або вимірюватимеш (швидкість, час, відстань, напрям руху)?

Під час експерименту я вимірюватиму пройдений тілом шлях за допомогою рулетки, час руху тіла до зупинки за допомогою секундоміра, а також спостерігатиму за зміною числового значення швидкості та напрямком руху.

• Як змінити умови досліду так, щоб зменшити дію сил опору?

Щоб суттєво зменшити дію сил опору, слід обрати максимально гладку й рівну поверхню (відполірований бетонований майданчик чи лінолеум замість шорсткого асфальту), змастити підшипники коліс скейтборда мастилом, а також використовувати гладкі кулясті тіла з невеликим поперечним перерізом для зменшення опору повітря.

• Які умови дозволять наблизитися до ситуації «сили відсутні або скомпенсовані»?

Наблизитися до цієї ситуації можна під час використання горизонтального повітряного жолоба (де тіло рухається на тонкому шарі повітря практично без тертя) або під час руху якісно змащеного візка по суворо горизонтальній площині, де сила тяжіння повністю врівноважена силою нормальної реакції опори.

• Зроби схематичний малюнок досліду. Познач сили, що діють на тіло в різні моменти досліду.

• Як твої результати підтверджують або спростовують початкову гіпотезу?

Отримані спостереження підтверджують початкову гіпотезу. М’яч та скейтборд перебували у стані спокою, поки до них не приклали зовнішню силу поштовху. Після завершення поштовху тіла рухалися вперед за інерцією і поступово зупинилися через нескомпенсовану силу тертя. Коли поверхня була гладкішою, тіло котилося значно довше.

• Які обмеження має твій експеримент?

Головними обмеженнями експерименту є неможливість повністю усунути сили тертя та опір повітря в реальних умовах, невеликі похибки ручного вимірювання часу секундоміром, а також можливі дрібні нерівності чи мікроухили поверхні майданчика.

• Сформулюй власний висновок: що є причиною зміни стану руху тіла?

Причиною зміни стану руху тіла є його взаємодія з іншими тілами, тобто дія нескомпенсованої сили. Сила спричиняє зміну швидкості тіла (надає йому прискорення), а не сам факт руху.

• Чому в реальних умовах важко спостерігати рух без дії сил?

У реальних земних умовах важко спостерігати вільний рух без дій інших тіл, оскільки на кожен предмет постійно діє гравітаційне поле Землі, поверхня опор чинить опір через тертя, а навколишнє повітря створює опір рухові.

Як ти вмієш опрацьовувати інформацію

2. З’ясуй, яку роль відіграють знання про механічний рух у професії, яку ти розглядаєш як можливу для свого майбутнього. Скориставшись відкритими джерелами (сайтами університетів, професійними порталами, відеоінтерв’ю з фахівцями), знайди інформацію про те: у яких професійних діях представників обраної спеціальності застосовуються знання про механічний рух; які фізичні закони руху вони фактично застосовують у роботі; які наслідки може мати помилка в розумінні руху (ризики, аварії, неточності).

Для аналізу обрано професію інженера-конструктора автомобільного транспорту (або розробника безпілотних систем).

У повсякденній роботі інженер-конструктор розраховує траєкторії руху автомобіля, динаміку розгону, роботу амортизаторів, надійність гальмівних систем та поведінку машин під час екстреного маневрування.

Спеціалісти спираються на другий закон Ньютона $\vec{F} = m\vec{a}$для підбору потужності двигуна під масу авто, кінематичні формули рівнозмінного руху для визначення гальмівного шляху й часу розгону, а також закон збереження імпульсу під час проєктування зон деформації кузова для поглинання удару при зіткненні.

Помилка в розумінні та розрахунках інерції або гальмівного шляху призводить до створення небезпечного транспорту, збільшення ризику аварій під час заносу на мокрій дорозі, відмови гальмівної системи від перегріву та загрози життю водіїв і пішоходів.

Як ти усвідомлюєш закономірності природи

3. Уяви ситуацію: водій легкового автомобіля, рухаючись прямою ділянкою траси зі швидкістю 72 км/год, помітив попереду перешкоду й миттєво натиснув на гальма. Гальмівна система цього авто забезпечує стале прискорення величиною 5 м/с$^2$. Дорожня поліція, що прибула на місце, зафіксувала гальмівний шлях довжиною 45 метрів. Водій стверджує, що він не перевищував дозволену швидкість (90 км/год) і почав гальмувати вчасно. Чи достовірні свідчення надав водій? Скільки секунд знадобилося автомобілю до повної зупинки? Як змінився б гальмівний шлях, якби дорога була мокрою?

Дано:

• $v_0 = 72\text{ км/год} = 72 \cdot \dfrac{1000\text{ м}}{3600\text{ с}} = 20\text{ м/с}$
• $v = 0\text{ м/с}$
• $a = 5\text{ м/с}^2$
• $s_{\text{факт}} = 45\text{ м}$
• $v_{\text{дозв}} = 90\text{ км/год} = 25\text{ м/с}$

Знайти:

• $t - ?$
• $s_{\text{теор}} - ?$
• $v_{0\text{, реальна}} - ?$

Розв’язання:

Під час рівносповільненого руху до повної зупинки кінцева швидкість $v = 0$, тому рівняння швидкості має вигляд:
$v = v_0 - at \implies 0 = v_0 - at \implies t = \dfrac{v_0}{a}$
$t = \dfrac{20\text{ м/с}}{5\text{ м/с}^2} = 4\text{ с}$

Обчислимо теоретичний гальмівний шлях за початкової швидкості $20\text{ м/с}$:
$s_{\text{теор}} = \dfrac{v_0^2}{2a}$
$s_{\text{теор}} = \dfrac{(20\text{ м/с})^2}{2 \cdot 5\text{ м/с}^2} = \dfrac{400}{10}\text{ м} = 40\text{ м}$

Фактичний гальмівний шлях становить $45\text{ м}$, що більше за теоретичний ($45\text{ м} > 40\text{ м}$). Обчислимо реальну початкову швидкість автомобіля $v_{0\text{, реальна}}$ за зафіксованим шляхом $s_{\text{факт}}$:
$v_{0\text{, реальна}} = \sqrt{2a \cdot s_{\text{факт}}}$
$v_{0\text{, реальна}} = \sqrt{2 \cdot 5 \cdot 45} = \sqrt{450} \approx 21{,}21\text{ м/с} \approx 76{,}4\text{ км/год}$

Оскільки $76{,}4\text{ км/год} < 90\text{ км/год}$, водій дійсно не перевищив дозволеної швидкості $90\text{ км/год}$. Проте його твердження про швидкість $72\text{ км/год}$ є недостовірним, оскільки його справжня швидкість становила приблизно $76{,}4\text{ км/год}$.

Якщо дорога буде мокрою, коефіцієнт тертя $\mu$ між колесами та дорожнім покриттям зменшиться. Оскільки прискорення гальмування визначається силою тертя ($a = \mu g$), воно стане меншим, а отже, гальмівний шлях ($s = \dfrac{v_0^2}{2a}$) суттєво зросте.

Відповідь: Свідчення водія про рух зі швидкістю $72\text{ км/год}$ недостовірні (його реальна швидкість становила близько $76{,}4\text{ км/год}$, хоча встановлений ліміт у $90\text{ км/год}$ він не порушив). Автомобілю до зупинки за швидкості $72\text{ км/год}$ знадобилося б $4\text{ с}$ (а за реальної швидкості близько $4{,}24\text{ с}$). На мокрій дорозі гальмівний шлях значно збільшиться.