Скорость и сила – Как зависит скорость тела от силы, к нему приложеной???Есть ли такие формулы???Помогите плиз!

Содержание

Скорость — Википедия

Скорость
v→=dr→dt{\displaystyle {\vec {v}}={\frac {\mathrm {d} {\vec {r}}}{\mathrm {d} t}}}
Размерность LT−1
СИ м/с
СГС см/с
вектор

Ско́рость (часто обозначается v→{\displaystyle {\vec {v}}}, от англ. velocity или фр. vitesse, исходно от лат. vēlōcitās) — векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки относительно выбранной системы отсчёта; по определению, равна производной радиус-вектора точки по времени[1]. Этим же словом называют и скалярную величину — либо модуль вектора скорости, либо алгебраическую скорость точки, то есть проекцию этого вектора на касательную к траектории точки[2].

Термин «скорость» используют в науке и в широком смысле, понимая под ним быстроту изменения какой-либо величины (не обязательно радиус-вектора) в зависимости от другой (чаще подразумеваются изменения во времени, но также в пространстве или любой другой). Так, например, говорят об угловой скорости, скорости изменения температуры, скорости химической реакции, групповой скорости, скорости соединения и т. д. Математически «быстрота изменения» характеризуется производной рассматриваемой величины.

Расширениями понятия скорости являются четырёхмерная скорость, или скорость в релятивистской механике, и обобщённая скорость, или скорость в обобщённых координатах.

Скорость точки в классической механике[править | править код]

Вектор скорости материальной точки в каждый момент времени определяется как производная по времени радиус-вектора r→{\displaystyle {\vec {r}}} текущего положения этой точки, так что[3]:

v→=dr→dt≡vττ→,{\displaystyle {\vec {v}}={\mathrm {d} {\vec {r}} \over \mathrm {d} t}\equiv v_{\tau }{\vec {\tau }},}

где τ→≡dr→/ds{\displaystyle {\vec {\tau }}\equiv \mathrm {d} {\vec {r}}/\mathrm {d} s} — единичный вектор касательной, проходящей через текущую точку траектории (он направлен в сторону возрастания дуговой координаты s{\displaystyle s} движущейся точки), а vτ≡s˙{\displaystyle v_{\tau }\equiv {\dot {s}}} — проекция вектора скорости на направление упомянутого единичного вектора, равная производной дуговой координаты по времени и именуемая

алгебраической скоростью точки. В соответствии с приведёнными формулами, вектор скорости точки всегда направлен вдоль касательной, а алгебраическая скорость точки может отличаться от модуля v{\displaystyle v} этого вектора лишь знаком[4]. При этом:

  • если дуговая координата возрастает, то векторы v→{\displaystyle {\vec {v}}} и τ→{\displaystyle {\vec {\tau }}} сонаправлены, а алгебраическая скорость положительна;
  • если дуговая координата убывает, то векторы v→{\displaystyle {\vec {v}}} и τ→{\displaystyle {\vec {\tau }}} противонаправлены, а алгебраическая скорость отрицательна.

Не следует смешивать дуговую координату и пройденный точкой путь. Путь s~{\displaystyle {\tilde {s}}}, пройденный точкой за промежуток времени от t0{\displaystyle t_{0}} до t{\displaystyle t}, может быть найден так:

s~=∫t0t|s˙|dt;{\displaystyle {\tilde {s}}=\int _{t_{0}}^{t}|{\dot {s}}|\,\mathrm {d} t\;;}

лишь в случае, когда алгебраическая скорость точки всё время неотрицательна, связь пути и дуговой координаты достаточно проста: путь совпадает с приращением дуговой координаты за время от t0{\displaystyle t_{0}} до t{\displaystyle t} (если же при этом начало отсчёта дуговой координаты совпадает с начальным положением движущейся точки, то s~{\displaystyle {\tilde {s}}} будет совпадать с s{\displaystyle s}).

Если алгебраическая скорость точки не меняется с течением времени (или, что то же самое, модуль скорости постоянен), то движение точки называется[5]равномерным (алгебраическое касательное ускорение s¨{\displaystyle {\ddot {s}}} при этом тождественно равно нулю).

Предположим, что s¨⩾0{\displaystyle {\ddot {s}}\geqslant {0}}. Тогда при равномерном движении скорость точки (алгебраическая) будет равна отношению пройденного пути s~{\displaystyle {\tilde {s}}} к промежутку времени t−t0{\displaystyle t-t_{0}}, за который этот путь был пройден:

s˙cp=s~t−t0.{\displaystyle {\dot {s}}^{\,\mathrm {cp} }={{\tilde {s}} \over t-t_{0}}\;.}

В общем же случае аналогичные отношения

v→cp=r→−r→0t−t0≡Δr→Δt{\displaystyle {\vec {v}}^{\,\,\mathrm {cp} }={{\vec {r}}-{\vec {r}}_{0} \over t-t_{0}}\equiv {\Delta {\vec {r}} \over \Delta {t}}}     и     s˙cp=s−s0t−t0≡ΔsΔt{\displaystyle {\dot {s}}^{\,\mathrm {cp} }={s-s_{0} \over t-t_{0}}\equiv {\Delta {s} \over \Delta {t}}}

определяют соответственно среднюю скорость точки[6] и её среднюю алгебраическую скорость; если термином «средняя скорость» пользуются, то о величинах v→{\displaystyle {\vec {v}}} и s˙{\displaystyle {\dot {s}}} говорят (чтобы избежать путаницы) как о мгновенных скоростях.

{\dot  {s}} Иллюстрация средней и мгновенной скорости

Не следует смешивать два введённых выше понятия средней скорости. Во-первых, v→cp{\displaystyle {\vec {v}}^{\,\,\mathrm {cp} }} — вектор, а s˙cp{\displaystyle {\dot {s}}^{\,\mathrm {cp} }} — скаляр. Во-вторых, эти величины могут не совпадать по модулю. Так, пусть точка движется движется по винтовой линии и за время своего движения проходит один виток; тогда модуль средней скорости этой точки будет равен отношению шага винтовой линии (то есть расстояния между её витками) ко времени движения, а модуль средней алгебраической скорости — отношению длины витка ко времени движения.

Для тела протяжённых размеров понятие «скорости» (тела как такового, а не одной из его точек) не может быть определено; исключение составляет случай мгновенно-поступательного движения. Говорят, что абсолютно твёрдое тело совершает мгновенно-поступательное движение, если в данный момент времени скорости всех составляющих его точек равны[7]; тогда можно, разумеется, положить скорость тела равной скорости любой из его точек. Так, например, равны скорости всех точек кабинки колеса обозрения (если, конечно, пренебречь колебаниями кабинки).

В общем же случае скорости точек, образующих твёрдое тело, не равны между собой. Так, например, для катящегося без проскальзывания колеса модули скоростей точек на ободе относительно дороги принимают значения от нуля (в точке касания с дорогой) до удвоенного значения скорости центра колеса (в точке, диаметрально противоположной точке касания). Распределение скоростей точек абсолютно твёрдого тела описывается кинематической формулой Эйлера.

В декартовых координатах[править | править код]

В прямоугольной декартовой системе координат[8]:

v=vxi+vyj+vzk.{\displaystyle \mathbf {v} =v_{x}\mathbf {i} +v_{y}\mathbf {j} +v_{z}\mathbf {k} .}

В то же время r=xi+yj+zk,{\displaystyle \mathbf {r} =x\mathbf {i} +y\mathbf {j} +z\mathbf {k} ,} поэтому

v=d(xi+yj+zk)dt=dxdti+dydtj+dzdtk.{\displaystyle \mathbf {v} ={\frac {\mathrm {d} (x\mathbf {i} +y\mathbf {j} +z\mathbf {k} )}{\mathrm {d} t}}={\frac {\mathrm {d} x}{\mathrm {d} t}}\mathbf {i} +{\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} t}}\mathbf {j} +{\frac {\mathrm {d} z}{\mathrm {d} t}}\mathbf {k} .}

Таким образом, координаты вектора скорости — это скорости изменения соответствующей координаты материальной точки[8]:

vx=dxdt;vy=dydt;vz=dzdt.{\displaystyle v_{x}={\frac {\mathrm {d} x}{\mathrm {d} t}};v_{y}={\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} t}};v_{z}={\frac {\mathrm {d} z}{\mathrm {d} t}}.}

В цилиндрических координатах[править | править код]

{\displaystyle v_{x}={\frac {\mathrm {d} x}{\mathrm {d} t}};v_{y}={\frac {\mathrm {d} y}{\mathrm {d} t}};v_{z}={\frac {\mathrm {d} z}{\mathrm {d} t}}.} Скорость в полярных координатах

В цилиндрических координатах R,φ,z{\displaystyle R,\varphi ,z}[8]:

vR=dRdt;vφ=Rdφdt;vz=dzdt.{\displaystyle v_{R}={\frac {\mathrm {d} R}{\mathrm {d} t}};v_{\varphi }=R{\frac {\mathrm {d} \varphi }{\mathrm {d} t}};v_{z}={\frac {\mathrm {d} z}{\mathrm {d} t}}.}

vφ{\displaystyle v_{\varphi }} носит название поперечной скорости, vR{\displaystyle v_{R}} — радиальной.

В сферических координатах[править | править код]

В сферических координатах R,φ,θ{\displaystyle R,\varphi ,\theta }[8]:

vR=dRdt;vφ=Rsin⁡θdφdt;vθ=Rdθdt.{\displaystyle v_{R}={\frac {\mathrm {d} R}{\mathrm {d} t}};v_{\varphi }=R\sin \theta {\frac {\mathrm {d} \varphi }{\mathrm {d} t}};v_{\theta }=R{\frac {\mathrm {d} \theta }{\mathrm {d} t}}.}

Обобщениями понятия скорости является четырёхмерная скорость, или скорость в релятивистской механике, и обобщённая скорость, или скорость в обобщённых координатах[8].

Четырёхмерная скорость[править | править код]

В специальной теории относительности каждому событию ставится в соответствие точка пространства Минковского, три координаты которого представляют собой декартовы координаты трёхмерного евклидова пространства, а четвёртая ― временну́ю коодинату ct{\displaystyle ct}, где c{\displaystyle c} ― скорость света, t{\displaystyle t} ― время события. Компоненты четырёхмерного вектора скорости связаны с проекциями трёхмерного вектора скорости следующим образом[8]:

v0=c1−v2c2;v1=vx1−v2c2;v2=vy1−v2c2;v3=vz1−v2c2.{\displaystyle v_{0}={\frac {c}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}};v_{1}={\frac {v_{x}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}};v_{2}={\frac {v_{y}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}};v_{3}={\frac {v_{z}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}.}

Четырёхмерный вектор скорости является времениподобным вектором, то есть лежит внутри светового конуса[8].

В обобщённых координатах[править | править код]

Следует различать координатную и физическую скорости. При введении криволинейных или обобщённых координат положение тел описывается их зависимостью от времени. Производные от координат тела по времени при этом называются координатными скоростями.

В классической механике Ньютона скорости преобразуются при переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую согласно преобразованиям Галилея. Если скорость тела в системе отсчёта S{\displaystyle S} была равна v→{\displaystyle {\vec {v}}}, а скорость системы отсчёта S′{\displaystyle S’} относительно системы отсчёта S{\displaystyle S} равна u→{\displaystyle {\vec {u}}}, то скорость тела при переходе в систему отсчёта S′{\displaystyle S’} будет равна[8]

v→′=v→−u→.{\displaystyle {\vec {v}}’={\vec {v}}-{\vec {u}}.}

Для скоростей, близких к скорости света преобразования Галилея становятся несправедливы. При переходе из системы S{\displaystyle S} в систему S′{\displaystyle S’} необходимо использовать преобразования Лоренца для скоростей[8]:

vx′=vx−u1−(vxu)/c2,vy′=vy1−u2c21−(vxu)/c2,vz′=vz1−u2c21−(vxu)/c2,{\displaystyle v_{x}’={\frac {v_{x}-u}{1-(v_{x}u)/c^{2}}},v_{y}’={\frac {v_{y}{\sqrt {1-{\frac {u^{2}}{c^{2}}}}}}{1-(v_{x}u)/c^{2}}},v_{z}’={\frac {v_{z}{\sqrt {1-{\frac {u^{2}}{c^{2}}}}}}{1-(v_{x}u)/c^{2}}},}

в предположении, что скорость u→{\displaystyle {\vec {u}}} направлена вдоль оси x{\displaystyle x} системы S{\displaystyle S}. Легко убедиться, что в пределе нерелятивистских скоростей преобразования Лоренца сводятся к преобразованиям Галилея.

Ряд понятий классической механики выражаются через скорость.

Импульс, или количество движения, — это мера механического движения точки, которая определяется как произведение массы точки на его скорость p→=mv→{\displaystyle {\vec {p}}=m{\vec {v}}}. Импульс является векторной величиной, его направление совпадает с направлением скорости. Для замкнутой системы выполняется закон сохранения импульса. Обобщением импульса в релятивистских системах является четырёхимпульс, временная компонента которого равна E/c{\displaystyle E/c}. Для обобщённого импульса также выполняется равенство[9]:

pμ=mUμ,{\displaystyle p^{\mu }=m\,U^{\mu }\!,}

где Uμ{\displaystyle U^{\mu }} — обобщённая четырёхмерная скорость.

От скорости также зависит кинетическая энергия механической системы. Для абсолютно твёрдого тела полную кинетическую энергию можно записать в виде суммы кинетической энергии поступательного и вращательного движения[10][11]:

T=mv22+Iω→22,{\displaystyle T={\frac {mv^{2}}{2}}+{\frac {{\mathcal {I}}{\vec {\omega }}^{2}}{2}},}

определение, формулы для вычисления и примеры из реальной жизни

Разберёмся в вопросе, что такое сила тяги. Как следует из самого названия – это сила, которую необходимо прикладывать к телу, чтобы оно находилось в состоянии постоянного движения.

Если её убрать, то тело, будь то автомобиль, электровоз, космическая ракета или санки, со временем остановится. Это произойдёт потому, что на тело всегда действуют силы, которые заставляют его стремиться к состоянию покоя:

  • силы трения (покоя, качения, скольжения),
  • сопротивления воздуха (газа),
  • сопротивления воды и др.

Первый и второй законы Ньютона

Обратимся к законам Ньютона, которые хорошо описывают механическое движение тел. Из школьной программы мы знаем, что есть первый закон Ньютона, который описывает закон инерции. Он гласит, что любое тело, если на него не действуют силы, или если их равнодействующая равна нулю, движется прямолинейно и равномерно, или же находится в состоянии покоя. Это означает, что тело, пока на него ничто не действует, будет двигаться с постоянной скоростью v=const или пребывать в состоянии покоя сколько угодно долго, пока какое-то внешнее воздействие не выведет тело из этого состояния. Это и есть движение по инерции.

Надо сказать, что этот закон справедлив лишь в так называемых инерциальных системах отсчёта. В неинерциальных системах отсчёта этот закон не действует и нужно использовать второй закон Ньютона. В таких системах отсчёта тело тоже будет двигаться по инерции, но оно будет двигаться с ускорением, стремясь сохранять своё движение, т.е. на него также не будут действовать никакие внешние силы, кроме силы инерции, стремящейся двигать тело в том направлении, в каком оно двигалось до воздействия. Тут мы приходим к рассмотрению второго закона Ньютона, который также справедлив в инерциальных системах отсчёта, т. е. в таких системах отсчёта, в которых тело движется с постоянной скоростью либо находится в покое.

Этот закон утверждает, что для того, чтобы вывести тело из состояния покоя или равномерного движения, к нему необходимо приложить силу, равную F=m•a, где m — это масса тела, a — ускорение, сообщаемое телу. Зная эти законы, можно рассчитать силу тяги (двигателя автомобиля, ракетного двигателя или, например, лошади, тянущей нагруженную повозку).

Примеры из жизни

Насколько вы сильны?

Рассмотрим простейший пример. Ваш ребёнок сел на санки и просит вас его покатать. С какой силой вам нужно тянуть эти санки, чтобы ребёнок остался доволен быстрой ездой ? Пока санки с ребёнком остаются в состоянии покоя, все силы, действующие на них, уравновешены. Состояние покоя — это частный случай инерции. Здесь на санки действуют две силы: тяжести Fт = m•g, направленная вертикально вниз, и нормального давления N, направленная вертикально вверх. Поскольку санки не движутся, то N – m•g = 0. Тогда из этого равенства следует, что N = m•g.

Когда вы решили покатать своего ребёнка, вы прикладываете силу тяги (Fтяги) к санкам с ребёнком. Когда вы начинаете тянуть санки, возникает сопротивление движению, вызванное силой трения (Fтр.), направленной в противоположную сторону. Это так называемая сила трения покоя. Когда тело не движется, она равна нулю. Стоит потянуть за санки — и появляется сила трения покоя, которая меняется от нуля до некоторого максимального значения (Fтр. max). Как только Fтяги превысит Fтр.max, санки с ребёнком придут в движение.

Чтобы найти Fтяги, применим второй закон Ньютона: Fтяги – Fтр.max = m•a, где a – ускорение, с которым вы тянете санки, m – масса санок с ребёнком. Допустим, вы разогнали санки до определённой скорости, которая не изменяется. Тогда a = 0 и вышеприведённое уравнение запишется в виде: Fтяги – Fтр. max = 0, или Fтяги = Fтр.max. Есть известный закон из физики, который устанавливает определённую зависимость для Fтр.max и N. Эта зависимость имеет вид: Fтр.max = fmax • N, где fmax – максимальный коэффициент трения покоя.

Если в эту формулу подставить выражение для N, то мы получим Fтр.max = fmax•m•g. Тогда формула искомой силы тяги примет вид: Fтяги = fmax•m•g = fск•m•g, где fск = fmax – коэффициент трения скольжения, g – ускорение свободного падения. Допустим, fск = 0,7, m = 30 кг, g = 9,81 м/с², тогда Fтяги = 0,7 • 30 кг • 9,81 м/с² = 206,01 Н (Ньютона).

Насколько силён ваш автомобиль?

Рассмотрим ещё пример. У вас есть автомобиль, мощность двигателя которого N. вы едете со скоростью v. Как в этом случае узнать силу тяги двигателя вашего автомобиля ? Поскольку скорость автомобиля не меняется, то Fтяги уравновешена силами трения качения, лобового сопротивления, трения в подшипниках и т. д. (первый закон Ньютона). По второму закону Ньютона она будет равна Fтяги = m•a. Чтобы её вычислить, достаточно знать массу автомобиля m и ускорение a.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v за какое-то время t, проехав расстояние s. Тогда Fтяги будет легко рассчитана по формуле: Fтяги = m•v/t. Как и в примере с санками, справедлива также такая формула: Fтяги = f•m•g, где f – коэффициент трения качения, который зависит от скорости автомобиля (чем больше скорость, тем меньше этот коэффициент).

Но что делать, если масса автомобиля m, коэффициент трения качения f и время разгона t неизвестны ? Тогда можно поступить по-другому. Двигатель вашего автомобиля при разгоне совершил работу A = Fтяги • s. Поскольку формула расстояния имеет вид s = v•t, то выражение для работы будет таким: A = Fтяги • v • t. Разделив обе части этого равенства на t, получим A/t = Fтяги • v. Но A/t = N – это мощность двигателя вашего автомобиля, поэтому N = Fтяги • v. Отсюда уже получим искомую формулу: Fтяги =N/v.

Допустим, вы разогнали свой автомобиль до скорости v = 180 км/ч, а мощность его двигателя N = 200 л. с. (лошадиных сил). Чтобы вычислить Fтяги двигателя, необходимо прежде перевести указанные единицы измерения в единицы СИ, т. е. международной системы измерения. Здесь 1 л. с. = 735,499 Вт, поэтому мощность двигателя составит N = 200 л. с. • 735,499 Вт/л. с. = 147099,8 Вт. Скорость в системе СИ будет равна v = 180 км/ч = 180 • 1000 м/3600 с = 50 м/с. Тогда искомое значение будет равно Fтяги = 147099,8 Вт/50 (м/с) = 2941,996 Н ~ 2,94 кН (килоньютона).

Около 3 килоньютонов. Много это или мало ? Допустим, вы жмёте 100 килограммовую штангу. Чтобы её поднять, вам нужно преодолеть её вес, равный P = m•g = 100 кг • 9,81 м/с² = 981 Н (ньютон)~0,98 кН. Полученное для автомобиля значение Fтяги больше веса штанги в 2,94/0,98 = 3 раза. Это равносильно тому, что вы будете поднимать штангу массой в 300 кг. Такова сила тяги двигателя вашего автомобиля (на скорости 180 км/ч).

Сила трения

Таким образом, зная школьный курс физики, мы можем с лёгкостью вычислить силу тяги:

  • человека,
  • лошади,
  • паровоза,
  • автомобиля,
  • космической ракеты и всех прочих видов техники.

Видео

В нашем видео вы найдете интересные опыты, поясняющие, что такое сила тяги и сила сопростивления.

1.1.2. Скорость и ускорение

Скорость () — это физическая величина, характеризующая быстроту пространственного перемещения тела и определяемая отношением вектора перемещения к промежутку времени, за которое это перемещении произошло:

. (1)

Модуль вектора скорости .

Перейдем к понятию средней путевой скорости (это скалярная величина):

(2)

Скорость измеряется в метрах на секунду (м/с).

Равномерным поступательным называется движение, при котором за любые равные промежутки времени тело проходит равные пути ().

Ускорение () – физическая величина, характеризующая быстроту изменения вектора скорости и определяемая отношением изменения вектора скорости к промежутку времени

, за которое оно произошло:

. (3)

Ускорение измеряется в метрах на секунду в квадрате (м/с2).

Равнопеременным, то есть равноускоренным или равнозамедленным, называется движение, при котором ускорение с течением времени остается неизменным ().

1.1.3. Кинематика вращательного движения

Равномерное движение по окружности () не является равноускоренным, хотя и обладает центростремительным ускорением

. (4)

Поскольку центростремительное ускорение направлено по радиусу вращения к центру окружности, а сам радиус при вращательном движении все время меняет свое пространственное положение, то, как векторная величина, .

Пусть материальная точка движется по окружности радиуса вокруг осии за время(рис. 3) радиус повернется на угол .

Рис.3. Вращательное движение

Угловая скорость () — это физическая величина, определяемая отношением угла поворотарадиусак промежутку времени, за которое этот поворот произошел:

. (5)

Особенностью вращательного движения является то, что все точки тела в любой момент времени

имеют относительно оси вращения одинаковые угловые скорости . Угловая скорость измеряется в радианах на секунду (рад/с).

1.2. Динамика материальной точки

Динамика – раздел физики, изучающий движение тел и причины, вследствие которых движение возникает или изменяется его характер. Динамика оперирует понятиями скорости, ускорения, силы, массы, импульса.

1.2.1. Масса, сила, принцип суперпозиции сил

Масса () – мера инертности и гравитационного взаимодействия тел. Масса измеряется в килограммах (кг).

С массой тесно связано понятие плотности вещества.

Плотность вещества

() определяется массой, заключенной в единице объема:

. (6)

Плотность измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м3).

Сила () – мера воздействия на тело других тел или полей, в результате чего тело приобретает ускорение или деформируется. Сила — величина векторная. Понятия «сила подействовала» и «тело подействовало» – равнозначны. Сила измеряется в ньютонах (Н). При действии на тело нескольких сил их равнодействующая находится по правилу сложения векторов.

Правила сложения векторов

Векторной суммой двух векторов называют вектор, изображаемый диагональю параллелограмма, построенного на составляющих (правило параллелограмма, рис.4,а).

, где .

Тот же самый вектор можно получить по правилу треугольника (рис. 4,б), если из конца вектора отложить вектор.

Рис. 4. Сложение векторов

Результат действия на тело нескольких сил аналогичен действию на тело равнодействующей силы – это обобщение экспериментальных данных носит название принципа суперпозиции сил.

Равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна векторной сумме этих сил:

, (7)

где — номер соответствующей силы,— число сил.

Модуль силы, скорости, импульса. Что это?!

В статье разберемся, что такое модуль. Модуль силы, скорости, импульса, что это всё? Давайте разбираться!
модуль

Абсолютная величина, известная так же, как модуль, это всегда некое неотрицательное число, чье определение всегда зависит от типа числа. Символически модуль обозначается как: | x |.

Сила и модуль силы

В процессе изучения физики приходится сталкиваться с различными явлениями, рассчитывать скорость, силу и многие другие параметры. Не менее важно понять какими методами, и в каких единицах делаются расчеты по характеристикам этих явлений. Одна из физических величин это сила. Сила представляет собой величину, которая способна показать меру воздействия на тело посредством другого тела или со стороны полей. Взаимодействие образуется за счет тех полей, которые создаются самими телами в случае контакта. Всего различают четыре вида взаимодействия: слабое, сильное, гравитационное, электромагнитное. Сила обозначается буквой F от латинского слова fortis, что в переводе означает сильный.

Что такое модуль силы?

модуль силы

Сила является векторной величиной, это значит, что она обладает, так как направлением, так и модулем. Не так часто встречается случай, когда на тело воздействует одна единственная величина, чаще всего их несколько. В таком случае речь о равнодействующей силы, которая формируется за счет суммирования всех сил, влияющие на тело одновременно. Стоит отметить, что параметр равнодействующая сила является искусственным и создан только для удобства проведения расчетов.

Но что же это модуль силы? Модуль является абсолютной величиной. Это такая величина, которая отражается числом с плюсом во всех случаях. Другими словами характеристики какого-то процесса или явления выражены конкретными числами. Каждая сила характеризуется направлением и величиной, эта величина и есть модуль, вот что это модуль силы.

Модуль равнодействующих двух сил определяется по формулам:

  • F=F1 + F2 (в случае сил с одинаковым направлением)
  • F=F1 — F2 (силы с разным направлением)

Для модуля равнодействующих нескольких сил все намного сложнее. Для начала надо вводить систему координат, записать и высчитать проекции сил, потом использовать теорему Пифагоры.

Исаак Ньютон внес серьезный вклад в работу над различными видами сил. В связи с этим в качестве единицы измерения силы применяется Н (Ньютон).

Что это модуль скорости?

модуль скорости

Каждое тело в процессе перемещения развивает энную скорость, которая характеризуется двумя параметрами: направление и модуль. Что же это модуль скорости? Это число, обозначающее, насколько быстро перемещается тело. Сама скорость является вектором. У нее есть все свойства вектора перемещения, так как выражается посредством него и обладает всеми свойствами данного вектора.

Для определения модуля скорости необходимо учитывать закон движения со всеми своими правилами. Вычисление модуля скорости может осуществляться посредством графика движения. Если недостаточно понятно, что это модуль скорости тела можно использовать одно из понятий: скалярная величина и алгебраическая скорость. Скорость как вектор это величина с направлением и численным значением, при этих условиях модуль скорости тела это не что иное, как длина этого вектора.

Чаще всего речь о прямолинейном движении в рамках координат (x;t). В таком случае для определения данного параметра подойдет формула:

v = S/t = (x — x0)/t.

Это значит, что необходимо нужно отнять начальную координату от конечной координаты. Полученный результат нужно разделить на то время, за которое имело место изменение координаты.

Пример определения модуля скорости одного тела относительно другого на основе задачи: два тела перемещаются со скоростью 8 и 6 м/с. Направление их движения перпендикулярное друг другу. Поэтапное решение осуществляется таким образом:

  1. Вычисляется скорость v21 на базе закона сложения скоростей v2 = v21 + v1, а значит v21 = v2 – v1.
  2. Определяется модуль скорости тела согласно теореме Пифагора.

Модуль импульса и модуль оси

модуль оси

Импульс представляет собой векторную величину, чье направление идентично направлению вектора скорости. Он может поменяться только в том случае, если произойдет изменение скорости под воздействием какой-то силы. Но что это модуль импульса и как он рассчитывается? Модуль импульса определяется согласно произведению массы тела на скорость. Его можно легко вычислить, если есть данные по скорости и по массе.

Что это модуль оси? Разъяснение данного понятия, может быть сделана на основе определения понятия ось. Ось представляет собой прямую с заданным направлением. В каком-то роде можно сказать, что это нечто иное, как вектор с величиной модуля, которая тянется к бесконечности. Это и есть модуль оси. Для обозначения оси можно использовать любую букву: t, Z, Y, X и т.д. На ней определяется точка О, известная как начало отсчета. Все расстояния до других точек определяются относительно нее. Для того чтобы сделать проекцию точки на ось, нужно провести перпендикулярную прямую через эту точку на саму ось. В таком случае проекция этой точки, сама точка.


Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

Центробежная сила — Википедия

Центробе́жная си́ла[1] — составляющая фиктивных сил инерции, которую вводят при переходе из инерциальной системы отсчёта в соответствующим образом вращающуюся неинерциальную. Это позволяет в полученной неинерциальной системе отсчёта продолжать применять законы Ньютона для расчёта ускорения тел через баланс сил.

Зачастую это бывает удобно. Например, когда вращается целиком вся лаборатория, может быть более удобным рассматривать все движения относительно неё, введя лишь дополнительно силы инерции, в том числе центробежную, действующие на все материальные точки, чем учитывать постоянное изменение положения каждой точки относительно инерциальной системы отсчета.

Часто, особенно в технической литературе, во вращающуюся с телом неинерциальную систему отсчёта переходят неявно, и говорят о проявлениях закона инерции как о центробежной силе, действующей со стороны движущегося по круговой траектории тела на вызывающие это вращение связи, и считают её по определению равной по модулю центростремительной силе и всегда направленной в противоположную ей сторону.

Однако в общем случае, когда мгновенный центр поворота тела по дуге окружности, которой аппроксимируется траектория в каждой её точке, может не совпадать с началом вектора силы, вызывающей движение, неверно называть действующую на связь силу силой центробежной. Ведь есть ещё составляющая силы связи, направленная по касательной к траектории, и эта составляющая будет изменять скорость движения тела по ней. Поэтому некоторые физики вообще избегают использовать термин «центробежная сила», как ненужный[2].

Обычно понятие центробежной силы используется в рамках классической (Ньютоновской) механики, которой касается основная часть данной статьи (хотя обобщение этого понятия и может быть в некоторых случаях достаточно легко получено для релятивистской механики).

По определению, центробежной силой называется сила инерции (то есть в общем случае — часть полной силы инерции) в неинерциальной системе отсчета, не зависящая от скорости движения материальной точки в этой системе отсчета, а также не зависящая от ускорений (линейных или угловых) самой этой системы отсчета относительно инерциальной системы отсчета.

Для материальной точки центробежная сила выражается формулой:

F→=−m[ω→×[ω→×R→]]=m(ω2R→−(ω→⋅R→)ω→),{\displaystyle {\vec {F}}=-m\left[{\vec {\omega }}\times \left[{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right]\right]=m\left(\omega ^{2}{\vec {R}}-\left({\vec {\omega }}\cdot {\vec {R}}\right){\vec {\omega }}\right),}

где:

F→{\displaystyle {\vec {F}}} — центробежная сила приложенная к телу,
 m{\displaystyle \ m} — масса тела,
ω→{\displaystyle {\vec {\omega }}} — угловая скорость вращения неинерциальной системы отсчёта относительно инерциальной (направление вектора угловой скорости определяется по правилу буравчика),
R→{\displaystyle {\vec {R}}} — радиус-вектор тела во вращающейся системе координат.

Эквивалентное выражение для центробежной силы можно записать как

F→=mω2R0→{\displaystyle {\vec {F}}=m\omega ^{2}{\vec {R_{0}}}}

если использовать обозначение R0→{\displaystyle {\vec {R_{0}}}} для вектора, перпендикулярного оси вращения и проведенного от неё к данной материальной точке.

Центробежная сила для тел конечных размеров может быть рассчитана (как это обычно делается и для любых других сил) суммированием центробежных сил, действующих на материальные точки, являющиеся элементами, на которые мы мысленно разбиваем конечное тело.

Вывод[править | править код]

Пусть тело совершает сложное движение: движется относительно неинерциальной системы отсчёта со скоростью v→n,{\displaystyle {\vec {v}}_{n},} а сама система движется поступательно с линейной скоростью v→0{\displaystyle {\vec {v}}_{0}} в инерциальной системе координат и одновременно вращается с угловой скоростью ω→.{\displaystyle {\vec {\omega }}.}

Тогда линейная скорость тела в инерциальной системе координат равна:

v→=v→0+[ω→×R→]+v→n,{\displaystyle {\vec {v}}={\vec {v}}_{0}+\left[{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right]+{\vec {v}}_{n},}

где R→{\displaystyle {\vec {R}}} — радиус-вектор центра масс тела относительно неинерциальной системы отсчета. Продифференцируем данное уравнение:

ddtv→=ddtv→0+ddt[ω→×R→]+ddtv→n.{\displaystyle {\frac {d}{dt}}{\vec {v}}={\frac {d}{dt}}{\vec {v}}_{0}+{\frac {d}{dt}}\left[{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right]+{\frac {d}{dt}}{\vec {v}}_{n}.}

Найдём значение каждого слагаемого в инерциальной системе координат:

ddtv→0=a→0,{\displaystyle {\frac {d}{dt}}{\vec {v}}_{0}={\vec {a}}_{0},}

ddtv→n=a→n+[ω→×v→n],{\displaystyle {\frac {d}{dt}}{\vec {v}}_{n}={\vec {a}}_{n}+\left[{\vec {\omega }}\times {\vec {v}}_{n}\right],}

ddt[ω→×R→]=[ε→×R→]+[ω→×ddtR→]=[ε→×R→]+[ω→×v→n]+[ω→×[ω→×R→]],{\displaystyle {\frac {d}{dt}}\left[{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right]=\left[{\vec {\varepsilon }}\times {\vec {R}}\right]+\left[{\vec {\omega }}\times {\frac {d}{dt}}{\vec {R}}\right]=\left[{\vec {\varepsilon }}\times {\vec {R}}\right]+\left[{\vec {\omega }}\times {\vec {v}}_{n}\right]+\left[{\vec {\omega }}\times \left[{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right]\right],} где a→n{\displaystyle {\vec {a}}_{n}} — линейное ускорение относительно системы, ε→{\displaystyle {\vec {\varepsilon }}} — угловое ускорение.

Таким образом, получаем:

ddtv→=a→=a→0+a→n+[ε→×R→]+2[ω→×v→n]+[ω→×[ω→×R→]].{\displaystyle {\frac {d}{dt}}{\vec {v}}={\vec {a}}={\vec {a}}_{0}+{\vec {a}}_{n}+\left[{\vec {\varepsilon }}\times {\vec {R}}\right]+2\left[{\vec {\omega }}\times {\vec {v}}_{n}\right]+\left[{\vec {\omega }}\times \left[{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right]\right].}

Последнее слагаемое и будет центростремительным ускорением.

Раскрыв двойное векторное произведение и положив R→{\displaystyle {\vec {R}}} перпендикулярным оси вращения, получим:

a→c=ω→(ω→R→)−R→ω→2=−R→ω→2.{\displaystyle {\vec {a}}_{c}={\vec {\omega }}({\vec {\omega }}{\vec {R}})-{\vec {R}}{\vec {\omega }}^{2}=-{\vec {R}}{\vec {\omega }}^{2}.}

Элементарное рассмотрение и мотивировка[править | править код]

Вращение с точки зрения инерциальной системы отсчета[править | править код]

Рассмотрим спицу, вращающуюся вокруг перпендикулярной к ней вертикальной оси с угловой скоростью ω{\displaystyle \omega }. Вместе со спицей вращается надетый на неё шарик, соединённый с осью пружиной.

Согласно второму закону Ньютона шарик займёт положение равновесия на таком расстоянии R{\displaystyle R} от центра диска, на котором сила натяжения пружины Fpr{\displaystyle F_{\mathrm {pr} }} оказывается равной произведению массы шарика m{\displaystyle m} на его ускорение[3]an=ω2R{\displaystyle a_{n}=\omega ^{2}R}:

Fpr=−mω2R=−mv2R{\displaystyle F_{\mathrm {pr} }=-m\omega ^{2}R=-m{\frac {v^{2}}{R}}}.[4]

Связанная со спицей система отсчёта вращается по отношению к инерциальной системе. Относительно системы отсчёта, связанной со спицей, шарик покоится, хотя на него действует сила упругости пружины. Это не противоречит второму закону Ньютона, так как вращающаяся система отсчёта не является инерциальной и соотношение F→=ma→{\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}} в ней не выполняется.

Вращение с точки зрения неинерциальной системы отсчёта. Сила инерции[править | править код]

Для практических целей, однако, удобнее считать, что второй закон Ньютона выполняется и с точки зрения вращающейся системы отсчёта, введя для этого формально силу инерции Fcf=−Fpr=mω2R{\displaystyle F_{\mathrm {cf} }=-F_{\mathrm {pr} }=m\omega ^{2}R}[4], действующую на шарик вдоль радиуса от центра диска наряду с реальной силой Fpr{\displaystyle F_{\mathrm {pr} }}.

Силу инерции Fcf{\displaystyle F_{\mathrm {cf} }}, вводимую во вращающейся системе отсчёта, называют центробежной силой. Эта сила действует на тело во вращающейся системе отсчёта, независимо от того, покоится тело в этой системе или движется относительно неё со скоростью v{\displaystyle v}’.

Следует иметь в виду, что для правильного описания движения тел во вращающихся системах отсчёта, кроме центробежной силы следует также вводить силу Кориолиса.

В литературе встречается и совсем другое понимание термина «центробежная сила». Так иногда называют реальную силу, приложенную не к совершающему вращательное движение телу, а действующую со стороны тела на ограничивающие его движение связи. В рассмотренном выше примере так называли бы силу, действующую со стороны шарика на пружину. (См., например, ниже ссылку на БСЭ.)

Центростремительная и центробежная силы при движении тел по круговым траекториям с общей осью вращения

Применяемый не к связям, а, наоборот, к поворачиваемому телу, как объекту своего воздействия, термин «центробежная сила» (букв. сила, приложенная к поворачивающемуся или вращающемуся материальному телу, заставляющая его бежать от мгновенного центра поворота), есть эвфемизм, основанный на ложном толковании первого закона (принципа Ньютона)[5] в форме:

Всякое тело сопротивляется изменению своего состояния покоя или равномерного прямолинейного движения под действием внешней силы

Или ещё[6]:

Всякое тело стремится сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока не подействует внешняя сила.

Отголоском этой традиции и является представление о некоей силе, как о материальном факторе, реализующем это сопротивление или стремление. О существовании такой силы уместно было бы говорить, если бы, например, вопреки действующим силам, движущееся тело сохраняло бы свою скорость, но это не так[7].

Первый закон Ньютона, нередко называемый принципом и потому допускающим различия в словесной форме его выражения, сводится к утверждению, что природа вещей такова, что скорость движения материальной точки, как по величине, так и по направлению в некоторой системе отсчёта (сам Ньютон связывал её с эфиром, заполняющим всё пространство)[5], остаётся постоянной, но начинает изменяться тотчас, как возникает на то причина, называемая силой.

Рассматриваемое тело с массой (точнее — инертной массой) m{\displaystyle m} приобретает отличающееся от нуля ускорение a{\displaystyle a} в тот же момент t=0{\displaystyle t=0}, когда начинает действовать на него сила F{\displaystyle F} (Второй закон Ньютона:F→=ma→{\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}}). Однако для достижения отличающейся от нуля скорости v{\displaystyle v} требуется некоторое время t{\displaystyle t} в соответствии с определением импульса силы: t=mv/F{\displaystyle t=mv/F}. Или, иначе, скорость тела не изменяется сама по себе, без причины, но она начинает изменяться тотчас, как на него начинает действовать сила[8].

Использование термина «центробежная сила» правомочно тогда, когда точкой её приложения является не испытывающее поворот тело, а ограничивающее его движение связи. В этом смысле центробежная сила представляет собой один из членов в формулировке третьего закона Ньютона, антагониста центростремительной силе, вызывающей поворот рассматриваемого тела и к нему приложенной. Обе эти силы равны по величине и противоположны по направлению, но приложены к разным телам и потому не компенсируют друг друга, а вызывают реально ощутимый эффект — изменение направления движения тела (материальной точки).

Оставаясь в инерциальной системе отсчёта, рассмотрим два небесных тела, например, компонента двойной звезды с массами одного порядка величины M1{\displaystyle {M_{1}}} и M2{\displaystyle {M_{2}}}, находящихся на расстоянии R{\displaystyle R} друг от друга. В принятой модели эти звёзды рассматриваются как материальные точки и R{\displaystyle R} есть расстояние между их центрами масс. В роли связи между этими телами выступает сила Всемирного тяготения FG:GM1M2/R2{\displaystyle {F_{G}}:{GM_{1}M_{2}/R^{2}}}, где G{\displaystyle G}- гравитационная постоянная. Это — единственная здесь действующая сила, она вызывает ускоренное движение тел навстречу друг другу.

Однако, в том случае, если каждое из этих тел совершает вращение вокруг общего центра масс с линейными скоростями v1{\displaystyle {v_{1}}} = ω1{\displaystyle {\omega }_{1}} R1{\displaystyle {R_{1}}} и v2{\displaystyle {v_{2}}} = ω2{\displaystyle {\omega _{2}}} R2{\displaystyle {R_{2}}}, то подобная динамическая система будет неограниченное время сохранять свою конфигурацию, если угловые скорости вращения этих тел будут равны: ω1{\displaystyle {\omega _{1}}} = ω2{\displaystyle {\omega _{2}}} = ω{\displaystyle \omega }, а расстояния от центра вращения (центра масс) будут соотноситься, как: M1/M2{\displaystyle {M_{1}/M_{2}}} = R2/R1{\displaystyle {R_{2}/R_{1}}}, причём R2+R1=R{\displaystyle {R_{2}}+{R_{1}}=R}, что непосредственно следует из равенства действующих сил: F1=M1a1{\displaystyle {F_{1}}={M_{1}}{a_{1}}} и F2=M2a2{\displaystyle {F_{2}}={M_{2}}{a_{2}}}, где ускорения равняются соответственно: a1{\displaystyle {a_{1}}}= ω2R1{\displaystyle {\omega ^{2}}{R_{1}}} и a2=ω2R2{\displaystyle {a_{2}}={\omega ^{2}}{R_{2}}}[9].

Центростремительные силы, вызывающие движение тел по круговым траекториям равны (по модулю): F1{\displaystyle {F_{1}}} =F2{\displaystyle {F_{2}}} =FG{\displaystyle ={F_{G}}}. При этом первая из них является центростремительной, а вторая — центробежной и наоборот: каждая из сил в соответствии с Третьим законом является и той, и другой.

Поэтому, строго говоря, использование каждого из обсуждаемых терминов излишне, поскольку они не обозначают никаких новых сил, являясь синонимами единственной силы — силы тяготения. То же самое справедливо и в отношении действия любой из упомянутых выше связей.

Однако, по мере изменения соотношения между рассматриваемыми массами, то есть всё более значительного расхождения в движении обладающих этими массами тел, разница в результатах действия каждой из рассматриваемых тел для наблюдателя становится всё более значительной.

В ряде случаев наблюдатель отождествляет себя с одним из принимающих участие тел, и потому оно становится для него неподвижным. В этом случае при столь большом нарушении симметрии в отношении к наблюдаемой картине, одна из этих сил оказывается неинтересной, поскольку практически не вызывает движения.

Формула силы. Сила — формула (физика)

Слово «сила» настолько всеобъемлюще, что дать ему четкое понятие – задача практически невыполнимая. Разнообразие от силы мышц до силы разума не охватывает весь спектр вложенных в него понятий. Сила, рассмотренная как физическая величина, имеет четко определенное значение и определение. Формула силы задает математическую модель: зависимость силы от основных параметров.

История исследования сил включает определение зависимости от параметров и экспериментальное доказательство зависимости.

Сила в физике

Сила – мера взаимодействия тел. Взаимное действие тел друг на друга полностью описывает процессы, связанные с изменением скорости или деформацией тел.

работа силы формулаКак физическая величина сила имеет единицу измерения (в системе СИ – Ньютон) и прибор для ее измерения – динамометр. Принцип действия силомера основан на сравнении силы, действующей на тело, с силой упругости пружины динамометра.

За силу в 1 ньютон принята сила, под действием которой тело массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м за 1 секунду.

Сила как векторная величина определяется:

  • направлением действия;
  • точкой приложения;
  • модулем, абсолютной величиной.

Описывая взаимодействие, обязательно указывают эти параметры.

Виды природных взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильные, слабые. Гравитационные силы (сила всемирного тяготения с ее разновидностью – силой тяжести) существуют благодаря влиянию гравитационных полей, окружающих любое тело, имеющее массу. Исследование полей гравитации не закончено до сих пор. Найти источник поля пока не представляется возможным.

Больший ряд сил возникает вследствие электромагнитного взаимодействия атомов, из которых состоит вещество.

Сила давления

При взаимодействии тела с Землей оно оказывает давление на поверхность. Сила давления, формула которой имеет вид: P = mg, определяется массой тела (m). Ускорение свободного падения (g) имеет различные значения на разных широтах Земли.

Сила вертикального давления равна по модулю и противоположна по направлению силе упругости, возникающей в опоре. Формула силы при этом меняется в зависимости от движения тела.

Изменение веса тела

Действие тела на опору вследствие взаимодействия с Землей чаще именуют весом тела. Интересно, что величина веса тела зависит от ускорения движения в вертикальном направлении. В том случае, когда направление ускорения противоположно ускорению свободного падения, наблюдается увеличение веса. Если ускорение тела совпадает с направлением свободного падения, то вес тела уменьшается. К примеру, находясь в поднимающемся лифте, в начале подъема человек чувствует увеличение веса некоторое время. Утверждать, что его масса меняется, не приходится. При этом разделяем понятия «вес тела» и его «масса».

Сила упругости

При изменении формы тела (его деформации) появляется сила, которая стремится вернуть телу его первоначальную форму. Этой силе дали название «сила упругости». Возникает она вследствие электрического взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

сила упругости формула

Рассмотрим простейшую деформацию: растяжение и сжатие. Растяжение сопровождается увеличением линейных размеров тел, сжатие – их уменьшением. Величину, характеризующую эти процессы, называют удлинением тела. Обозначим ее «x». Формула силы упругости напрямую связана с удлинением. Каждое тело, подвергающееся деформации, имеет собственные геометрические и физические параметры. Зависимость упругого сопротивления деформации от свойств тела и материала, из которого оно изготовлено, определяется коэффициентом упругости, назовем его жесткостью (k).

Математическая модель упругого взаимодействия описывается законом Гука.

Сила, возникающая при деформации тела, направлена против направления смещения отдельных частей тела, прямо пропорциональна его удлинению:

  • Fy = -kx (в векторной записи).

Знак «-» говорит о противоположности направления деформации и силы.

В скалярной форме отрицательный знак отсутствует. Сила упругости, формула которой имеет следующий вид Fy = kx, используется только при упругих деформациях.

Взаимодействие магнитного поля с током

Влияние магнитного поля на постоянный ток описывается законом Ампера. При этом сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, помещенный в него, называется силой Ампера.

Взаимодействие магнитного поля с движущимся электрическим зарядом вызывает силовое проявление. Сила Ампера, формула которой имеет вид F = IBlsinα, зависит от магнитной индукции поля (В), длины активной части проводника (l), силы тока (I) в проводнике и угла между направлением тока и магнитной индукцией.

сила ампера формула

Благодаря последней зависимости можно утверждать, что вектор действия магнитного поля может измениться при повороте проводника или изменении направления тока. Правило левой руки позволяет установить направление действия. Если левую руку расположить таким образом, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, четыре пальца были направлены по току в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление действия магнитного поля.

Применение этому воздействию человечеством найдено, к примеру, в электродвигателях. Вращение ротора вызывается магнитным полем, созданным мощным электромагнитом. Формула силы позволяет судить о возможности изменения мощности двигателя. С увеличением силы тока или величины поля вращательный момент возрастает, что приводит к увеличению мощности двигателя.

Траектории частиц

Взаимодействие магнитного поля с зарядом широко используется в масс-спектрографах при исследовании элементарных частиц.

Действие поля при этом вызывает появление силы, названной силой Лоренца. При попадании в магнитное поле движущейся с некоторой скоростью заряженной частицы сила Лоренца, формула которой имеет вид F = vBqsinα, вызывает движение частицы по окружности.

В этой математической модели v – модуль скорости частицы, электрический заряд которой – q, В – магнитная индукция поля, α – угол между направлениями скорости и магнитной индукции.

сила лоренца формула

Частица движется по окружности (либо дуге окружности), так как сила и скорость направлены под углом 90° друг к другу. Изменение направления линейной скорости вызывает появление ускорения.

Правило левой руки, рассмотренное выше, имеет место и при изучении силы Лоренца: если левую руку расположить таким образом, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, четыре пальца, вытянутых в линию, были направлены по скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление действия силы.

сила тока формула

Проблемы плазмы

Взаимодействие магнитного поля и вещества используется в циклотронах. Проблемы, связанные с лабораторным изучением плазмы, не позволяют содержать ее в замкнутых сосудах. Высоко ионизированный газ может существовать только при высоких температурах. Удержать плазму в одном месте пространства можно посредством магнитных полей, закручивая газ в виде кольца. Управляемые термоядерные реакции можно изучать, также закручивая высокотемпературную плазму в шнур при помощи магнитных полей.

Пример действия магнитного поля в естественных условиях на ионизированный газ – Полярное сияние. Это величественное зрелище наблюдается за полярным кругом на высоте 100 км над поверхностью земли. Загадочное красочное свечение газа пояснить смогли лишь в ХХ веке. Магнитное поле земли вблизи полюсов не может препятствовать проникновению солнечного ветра в атмосферу. Наиболее активное излучение, направленное вдоль линий магнитной индукции, вызывает ионизацию атмосферы.

формула силы

Явления, связанные с движением заряда

Исторически сложилось так, что основной величиной, характеризующей протекание тока в проводнике, называют силу тока. Интересно, что это понятие ничего общего с силой в физике не имеет. Сила тока, формула которой включает заряд, протекающий за единицу времени через поперечное сечение проводника, имеет вид:

  • I = q/t, где t – время протекания заряда q.

Фактически, сила тока – величина заряда. Единицей ее измерения является Ампер (А), в отличие от Н.

Определение работы силы

Силовое воздействие на вещество сопровождается совершением работы. Работа силы – физическая величина, численно равная произведению силы на перемещение, пройденное под ее действием, и косинус угла между направлениями силы и перемещения.

Искомая работа силы, формула которой имеет вид A = FScosα, включает величину силы.

сила давления формула

Действие тела сопровождается изменением скорости тела или деформацией, что говорит об одновременных изменениях энергии. Работа силы напрямую зависит от величины.

Подъёмная сила — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 31 марта 2018; проверки требуют 13 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 31 марта 2018; проверки требуют 13 правок. Силы, действующие на крыло самолёта в полёте Обтекание профиля крыла

Подъёмная сила — составляющая полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком. Полная аэродинамическая сила — это интеграл от давления вокруг контура профиля крыла.

Y+P=∮∂Ω⁡pnd∂Ω{\displaystyle \mathbf {Y} +\mathbf {P} =\oint \limits _{\partial \Omega }p\mathbf {n} \;d\partial \Omega }

где:

  • Y — подъёмная сила,
  • P — тяга,
  • ∂Ω{\displaystyle \partial \Omega } — граница профиля,
  • p — величина давления,
  • n — нормаль к профилю

Согласно теореме Жуковского, величина подъёмной силы пропорциональна плотности среды, скорости потока и циркуляции скорости потока.

Airstreams around an airfoil in a wind tunnel.jpg

Приближённо возникновение подъёмной силы можно объяснить тем, что ввиду наличия инерции и вязкости у обтекающего крыло газа при ненулевом угле атаки с одной стороны крыла образуется разрежение, а с другой сжатие. Газу со стороны положительного угла атаки необходимо ускориться, преодолев инерцию, чтобы догнать «убегающую» поверхность крыла, а с другой стороны сжаться под воздействием набегающей поверхности. (Более подробно о связи полей скоростей, давления с инерцией и вязкостью среды можно прочитать в описании уравнений Бернулли и уравнения Навье — Стокса). Разность давлений и обусловливает появление силы, направленной в сторону положительного угла атаки.

Если скорость потока воздуха над крылом v1{\displaystyle v_{1}} больше скорости потока воздуха v2{\displaystyle v_{2}} под крылом, то согласно уравнению Бернулли возникает перепад давлений Δp=p2−p1{\displaystyle \Delta p=p_{2}-p_{1}}. Подъемную силу можно рассчитать по формуле Fp=(p2−p1)S=ρ2(v12−v22)S{\displaystyle F_{p}=(p_{2}-p_{1})S={\frac {\rho }{2}}(v_{1}^{2}-v_{2}^{2})S}, где ρ{\displaystyle \rho } — плотность воздуха, S{\displaystyle S} — площадь крыла. Обозначив скорость потока воздуха относительно крыла через u{\displaystyle u}, а скорость циркуляционного потока через v{\displaystyle v}, получим v1=u+v{\displaystyle v_{1}=u+v}, v2=u−v{\displaystyle v_{2}=u-v}, Fp=ρ2(v12−v22)S=ρ2(v1+v2)(v1−v2)S=ρ22u2vS=2ρSvu{\displaystyle F_{p}={\frac {\rho }{2}}(v_{1}^{2}-v_{2}^{2})S={\frac {\rho }{2}}(v_{1}+v_{2})(v_{1}-v_{2})S={\frac {\rho }{2}}2u2vS=2{\rho }Svu} — формула Жуковского[1].

Коэффициент подъёмной силы — безразмерная величина, характеризующая подъёмную силу крыла определённого профиля при известном угле атаки. Коэффициент определяется экспериментальным путём в аэродинамической трубе, либо по теореме Жуковского.

Джон Смитон уже в XVIII веке рассчитал поправочный коэффициент подъёмной силы (далее Коэффициент Смитона, в формуле не указан) для формулы расчёта подъёмной силы. Формула имеет вид[2]:

Y=CyρV22S{\displaystyle Y=C_{y}{\frac {\rho V^{2}}{2}}S}

где:

Y{\displaystyle Y} — подъёмная сила (Н)
Cy{\displaystyle C_{y}} — коэффициент подъёмной силы, зависящий от угла атаки (получается опытным путём для разных профилей крыла)
ρ{\displaystyle \rho } — плотность воздуха на высоте полёта (кг/м³)
V{\displaystyle V} — скорость набегающего потока (м/с)
S{\displaystyle S} — характерная площадь (м²)

Формула для расчета лобового сопротивления сходна с вышеприведенной, за исключением того, что используется коэффициент лобового сопротивления Cx{\displaystyle C_{x}} вместо коэффициента подъёмной силы Cy{\displaystyle C_{y}}.

Поправочный коэффициент, значение которого по расчётам Смитона составляло 1.005, использовался более 100 лет, и только опыты Братьев Райт, в ходе которых они обнаружили, что подъёмная сила, действующая на планёры, была слабее расчётной, позволили уточнить «коэффициент Смитона» до значения 1.0033.

При расчётах по этой формуле важно не путать весовую и массовую плотность воздуха. Весовая плотность при стандартных атмосферных условиях (на уровне земли при температуре +15 °С) равна ρ{\displaystyle \rho }=1.225 кг/м3. Но в аэродинамических расчётах часто используют массовую плотность воздуха, которая равна 0.125 кГ*с24. В этом случае подъёмная сила Y получается не в ньютонах (Н), а в килограммах (кг). В книгах по аэродинамике[источник не указан 772 дня] не всегда имеются уточнения, о какой плотности и размерности подъёмной силы идёт речь, поэтому в спорных ситуациях нужно проверять формулы, сокращая единицы измерения.

  1. Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Пономарева А.В. Факультативный курс физики. 8 класс. — М.: Просвещение, 1985. — Тираж 143 500 экз. — С. 151 — 152
  2. ↑ Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 4.15

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *