Oddziaływania i siły - Spotkania z fizyką 7

1.Oddziaływania

Wzajemne działanie ciał na siebie. Dzięki oddziaływaniom zachodzą wszystkie zjawiska wokół nas, np. padający deszcz, uderzenie pioruna czy przesuwanie ziemi przez spychacz.

2.Rodzaje oddziaływań

W przyrodzie występują m.in. oddziaływania grawitacyjne, elektrostatyczne, magnetyczne, sprężyste i mechaniczne. Grawitacyjne, elektrostatyczne i magnetyczne mogą zachodzić na odległość, a mechaniczne zachodzą przy bezpośrednim kontakcie ciał.

3.Oddziaływanie grawitacyjne

Przyciąganie się ciał, które zachodzi między wszystkimi ciałami mającymi masę, także na odległość. Np. upuszczona piłeczka spada na podłogę, bo przyciąga ją Ziemia. Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa gravitas - ciężkość.

4.Oddziaływanie elektrostatyczne

Oddziaływanie ciał naelektryzowanych, np. przez pocieranie: dwa baloniki potarte o wełniany sweter odpychają się, a potarty balonik przyciąga się do ściany. Może zachodzić na odległość. Przykłady z życia: odstające włosy po szczotkowaniu, trzaski i iskry przy zdejmowaniu swetra.

5.Oddziaływanie magnetyczne

Oddziaływanie magnesów: zależnie od ułożenia dwa magnesy przyciągają się albo odpychają. Magnes przyciąga też przedmioty z żelaza, np. opiłki żelaza, małe gwoździki i spinacze. Może zachodzić na odległość.

6.Oddziaływanie sprężyste

Oddziaływanie ciała, które po odkształceniu dąży do powrotu do początkowego kształtu, np. rozciągnięta sprężyna ciągnie dłonie ku sobie, a napięty łuk po puszczeniu cięciwy wprawia strzałę w ruch.

7.Oddziaływanie mechaniczne

Oddziaływanie, które zachodzi przy bezpośrednim kontakcie ciał, np. gdy rozciągamy sprężynę rękami, napinamy łuk albo pchamy wózek.

8.Zasada wzajemności oddziaływań

Wszystkie oddziaływania są wzajemne: jeśli jedno ciało działa na drugie, to drugie działa na pierwsze. Np. dwa naelektryzowane baloniki odchylają się od pionu tak samo mocno, a Ziemia przyciąga piłeczkę i piłeczka przyciąga Ziemię.

9.Statyczne i dynamiczne skutki oddziaływań

Oddziaływanie może zmienić prędkość ciała - wprawić je w ruch, zatrzymać albo zmienić kierunek ruchu (skutek dynamiczny), albo odkształcić ciało, np. rozkruszyć kredę, rozciągnąć sprężynę (skutek statyczny). W życiu codziennym najczęściej oba skutki występują razem, np. piłka wpadająca do bramki odkształca siatkę i traci prędkość.

10.Skutek dynamiczny

Skutek oddziaływania polegający na zmianie prędkości ciała, w szczególności na wprawieniu go w ruch, zatrzymaniu albo zmianie kierunku ruchu, np. kopnięta piłka rusza z miejsca.

11.Skutek statyczny

Skutek oddziaływania polegający tylko na zmianie kształtu ciała (odkształceniu), np. zgniecenie plasteliny, rozciągnięcie sprężyny.

12.Siła (miara oddziaływań)

Siła jest miarą oddziaływania ciał - pozwala opisać liczbą, jak mocno ciała na siebie działają, czego nie wyrażą słowa „mocno” czy „słabo”. Jest wielkością wektorową, a jej jednostką jest niuton (1 N). Np. im bardziej rozciągamy gumkę, tym większą siłą trzeba na nią działać.

13.Niuton

Jednostka siły (1 N), nazwana od nazwiska angielskiego fizyka Isaaca Newtona. Tabliczka czekolady o masie $100~\mathrm{g}$ naciska na dłoń siłą około $1~\mathrm{N}$. Większe jednostki: $1~\mathrm{kN} = 1000~\mathrm{N}$, $1~\mathrm{MN} = 1\,000\,000~\mathrm{N}$.

14.Wielkości liczbowe (skalarne)

Wielkości fizyczne, które mają tylko jedną cechę - wartość (liczbę z jednostką), np. temperatura powietrza, czas trwania burzy, masa ładunku.

15.Wielkości wektorowe

Wielkości fizyczne, które oprócz wartości mają też kierunek i zwrot, a w przypadku siły także punkt przyłożenia. Wektor siły oznaczamy $\vec{F}$ (strzałka nad literą), a sam symbol $F$ oznacza tylko wartość siły.

16.Cechy siły

Siłę charakteryzują cztery cechy: wartość, kierunek, zwrot i punkt przyłożenia. Siłę rysujemy jako strzałkę: jej długość pokazuje wartość, prosta, na której leży - kierunek, grot - zwrot, a początek - punkt przyłożenia.

17.Kierunek siły

Prosta, wzdłuż której działa siła (oraz wszystkie proste do niej równoległe), np. pionowa albo pozioma. Na rysunku to prosta, na której leży strzałka siły.

18.Zwrot siły

Strona, w którą działa siła wzdłuż swojego kierunku; wskazuje go grot strzałki. Każdy kierunek ma dwa zwroty, np. kierunek pionowy - w górę i w dół.

19.Wartość siły

Liczba niutonów, która mówi, jak duża jest siła; mierzymy ją siłomierzem. Na rysunku pokazuje ją długość strzałki - im większa wartość, tym dłuższa strzałka. Np. gdy $1~\mathrm{cm}$ odpowiada $10~\mathrm{N}$, siłę $30~\mathrm{N}$ rysujemy strzałką o długości $3~\mathrm{cm}$.

20.Punkt przyłożenia siły

Miejsce, w którym siła działa na ciało; na rysunku to początek strzałki. Od niego może zależeć skutek siły: zeszyt pociągnięty za środek brzegu przesuwa się, a pociągnięty tak samo mocno za róg - najpierw się obraca.

21.Siłomierz

Przyrząd do pomiaru wartości siły. Ma sprężynę i skalę w niutonach, z której odczytujemy, jaką siłą rozciągana jest sprężyna. Niepewność pomiaru przyjmujemy równą dokładności siłomierza, czyli odstępowi między kreskami podziałki, np. $F = 2{,}6~\mathrm{N} \pm 0{,}1~\mathrm{N}$.

22.Pomiar siły ciężkości

Zawieszamy ciało (np. kubek) na siłomierzu tak, żeby nie dotykało stołu, i odczytujemy wskazanie - to siła grawitacji (inaczej siła ciężkości), z jaką Ziemia przyciąga ciało. Wynik zapisujemy z niepewnością pomiarową. Starannie powtórzony pomiar daje za każdym razem ten sam wynik.

23.Pomiar siły potrzebnej do ruszenia ciała

Ciągniemy powoli siłomierzem ciało stojące na stole (np. kubek) i odczytujemy największe wskazanie, zanim ciało ruszy. Trudno uchwycić ten moment, a po ruszeniu wskazanie nagle maleje, dlatego pomiar powtarzamy kilka razy (np. 7), obliczamy średnią i zaokrąglamy ją do dwóch cyfr znaczących.

24.Siła równoważąca

Siła, która równoważy działanie jednej lub kilku sił. Ma taką samą wartość i taki sam kierunek jak siła (albo wypadkowa sił), którą równoważy, ale przeciwny zwrot. Np. siłę grawitacji kubka zawieszonego na siłomierzu równoważy siła sprężystości sprężyny siłomierza.

25.Siła sprężystości

Siła, którą działa np. rozciągnięta sprężyna siłomierza na zawieszony na niej kubek albo podłoże (np. stół) na leżący na nim klocek. W tych przykładach jest skierowana w górę, przeciwnie do siły grawitacji, i ją równoważy - dlatego klocek leżący na stole nie spada, a siłomierz z luźnym sznurkiem wskazuje wtedy 0 N. Podobną siłę czujemy stopami, gdy stoimy na ziemi.

26.Siła wypadkowa

Jedna siła, która zastępuje kilka sił działających na ciało i daje taki sam skutek jak one (siły składowe). Dla sił działających wzdłuż jednej prostej: przy zgodnych zwrotach wartości dodajemy, przy przeciwnych - odejmujemy. Gdy sił jest więcej, osobno dodajemy siły o każdym zwrocie i od większej sumy odejmujemy mniejszą.

27.Wypadkowa sił o zgodnych zwrotach

Wypadkowa dwóch sił działających wzdłuż tej samej prostej w tę samą stronę ma kierunek i zwrot sił składowych, a jej wartość jest sumą ich wartości: $F_w = F_1 + F_2$. Np. dwie osoby pchające szafę w tę samą stronę działają tak jak jedna większa siła.

28.Wypadkowa sił o przeciwnych zwrotach

Wypadkowa dwóch sił działających wzdłuż tej samej prostej w przeciwne strony ma kierunek tych sił i zwrot siły większej, a jej wartość jest różnicą ich wartości: $F_w = F_1 - F_2$ (gdy $F_1 > F_2$). Na śliskiej podłodze szafa przesunie się w stronę działania większej siły.

29.Równowaga sił

Ciało pod działaniem dwóch sił pozostaje w równowadze, jeśli siły te działają wzdłuż tej samej prostej, mają taką samą wartość i przeciwne zwroty. Takie siły nazywamy siłami równoważącymi się - ich wypadkowa wynosi 0 N, a ciało zachowuje się tak, jakby nie działały na nie żadne siły.