Специальные ссылки

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).

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.

https://youtube.com/watch?v=fG0ENLTPdbM

Индуктивное сопротивление в аэродинамике

Индуктивное сопротивление (англ. lift-induced drag) — это следствие образования подъёмной силы на крыле конечного размаха. Несимметричное обтекание крыла приводит к тому, что поток воздуха сбегает с крыла под углом к набегающему на крыло потоку (т. н. скос потока). Таким образом, во время движения крыла происходит постоянное ускорение массы набегающего воздуха в направлении, перпендикулярном направлению полёта, и направленном вниз. Это ускорение, во-первых, сопровождается образованием подъёмной силы, а во-вторых — приводит к необходимости сообщать ускоряющемуся потоку кинетическую энергию. Количество кинетической энергии, необходимое для сообщения потоку скорости, перпендикулярной направлению полёта, и будет определять величину индуктивного сопротивления. На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние не только величина подъёмной силы (так, в случае отрицательной работы подъёмной силы направление вектора индуктивного сопротивления противоположно вектору силы, обусловленной тангенсальным трением), но и её распределение по размаху крыла. Минимальное значение индуктивного сопротивления достигается при эллиптическом распределении подъёмной силы по размаху.
При проектировании крыла этого добиваются следующими методами:

  • выбором рациональной формы крыла в плане;
  • применением геометрической и аэродинамической крутки;
  • установкой вспомогательных поверхностей — вертикальных законцовок крыла.

Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы Y, и обратно пропорционально площади крыла S, его удлинению λ{\displaystyle \lambda }, плотности среды ρ и квадрату скорости V:

Xi=CxiρV22S=Cy2πλρV22S=1πλY2ρV22S{\displaystyle X_{i}=C_{xi}{\frac {\rho V^{2}}{2}}S={\frac {C_{y}^{2}}{\pi \lambda }}{\frac {\rho V^{2}}{2}}S={\frac {1}{\pi \lambda }}{\frac {Y^{2}}{{\frac {\rho V^{2}}{2}}S}}}

Таким образом, индуктивное сопротивление вносит существенный вклад при полёте на малой скорости (и, как следствие, на больших углах атаки). Оно также увеличивается при увеличении веса самолёта.

2 вариант

1. Сила тока, идущего по проводнику, равна 2 А. Какой заряд проходит по проводнику за 10 минут?

1) 0,2 Кл
2) 5 Кл
3) 20 Кл
4) 1200 Кл

2. При увеличении напряжения U на участке электрической цепи сила тока I в цепи изменяется в соответ­ствии с графиком (см. рисунок). Электрическое сопротивление на этом участке цепи равно

1) 2 Ом
2) 0,5 Ом
3) 2 мОм
4) 500 Ом

3. Если увеличить в 2 раза напряжение между концами проводника, а его длину уменьшить в 2 раза, то сила тока, протекающего через проводник,

1) не изменится
2) уменьшится в 4 раза
3) увеличится в 4 раза
4) увеличится в 2 раза

4. Сопротивление участка цепи, изображённого на рисунке, равно

1) 11 Ом
2) 6 Ом
3) 4 Ом
4) 1 Ом

5. На цоколе лампы накаливания написано: «150 Вт, 220 В». Найдите силу тока в спирали при включении в сеть с номинальным напряжением

1) 0,45 А
2) 0,68 А
3) 22 А
4) 220000 А

6. Проволочная спираль, сопротивление которой в нагре­том состоянии равно 55 Ом, включена в сеть с напря­жением 127 В. Какое количество теплоты выделяет эта спираль за 1 минуту?

1) 17,595 кДж
2) 20 кДж
3) 230 кДж
4) 658,5 кДж

7. Установите соответствие между физическими величи­нами и единицами измерения этих величин.
К каждой позиции первого столбца подберите соответ­ствующую позицию второго.

Физическая величина

А) Сила тока
Б) Сопротивление
В) Работа электрического тока

Единицы измерения

1) Джоуль
2) Ватт
3) Вольт
4) Ампер
5) Ом

8. Электродвигатель подъёмного крана подключён к ис­точнику тока напряжением 380 В, при этом сила тока в обмотке 20 А. Определите КПД подъёмного крана, если он поднимает груз массой 1 т на высоту 19 м за 50 с.

1 вариант

1. За 20 минут через утюг проходит электрический заряд 960 Кл. Определите силу тока в утюге.

1) 0,6 А
2) 0,8 А
3) 48 А
4) 1920 А

2. На рисунке изображён график зависимости силы тока от напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции?

1) 250 кОм
2) 0,25 Ом
3) 10 кОм
4) 100 Ом

3. Если увеличить в 2 раза напряжение между концами проводника, а площадь его сечения уменьшить в 2 раза, то сила тока, протекающего через проводник,

1) увеличится в 2 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) не изменится
4) увеличится в 4 раза

4. Сопротивление участка цепи, изображённого на рисунке, равно

1) 3 Ом
2) 5 Ом
3) 8 Ом
4) 21 Ом

5. На штепсельных вилках некоторых бытовых электриче­ских приборов имеется надпись: «6 А, 250 В». Опреде­лите максимально допустимую мощность электроприбо­ров, которые можно включать, используя такие вилки.

1) 1500 Вт
2) 41,6 Вт
3) 1,5 Вт
4) 0,024 Вт

6. Чему равно время прохождения тока по проводнику, если при напряжении на его концах 120 В совершается работа 540 кДж? Сопротивление проводника 24 Ом.

1) 0,64 с
2) 1,56 с
3) 188 с
4) 900 с

7. У становите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. К каждой позиции первого столбца подберите соответ­ствующую позицию второго.

Физическая величина

А) Сила тока
Б) Напряжение
В) Сопротивление

Формула

1) A/q
2) I2 · R
3) ρl/S
4) I · U · t
5) q / t

8. С помощью кипятильника, имеющего КПД 90%, нагре­ли 3 кг воды от 19 °С до кипения за 15 минут. Какой ток при этом потреблял кипятильник в сети напряжением 220 В? Удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг · °С).

4 вариант

1. Тонкие проволочки свивают в жгут. Какое явление происхо­дит с ними при этом?

1) Деформация изгиба
2) Деформация растяжения
3) Деформация сжатия
4) Деформация кручения

2. Термин «сила» используют для краткого обозначения того, что

1) на тело действует любое другое тело
2) на него не действуют никакие другие тела
3) при взаимодействии с другими телами оно движется
4) в результате взаимодействия с окружающими телами оно останавливается

3. Всемирное тяготение — это притяжение тел друг к другу. Оно зависит от

1) масс тел
2) расстояния между ними
3) скорости тел
4) от расстояния между телами и их масс

4. В каком случае притяжение тел будет больше: а) когда мимо друг друга проплывают два корабля с грузом или б) когда на таком же расстоянии оказываются лодки с гребцами?

1) а
2) б
3) Оно будет одинаковым

5. Сила тяжести — это сила, с которой

1) тело действует на опору
2) Земля притягивает тело
3) другие тела притягивают данное тело
4) тело притягивает другие тела

6. Где на корабль будет действовать большая сила тяжести — на полюсе или на экваторе?

1) На полюсе
2) На экваторе
3) Эта сила везде одинакова

7. При каком условии модули силы тяжести и силы упругости равны?

1) Когда деформация мала
2) При росте деформации
3) Когда деформация и с ней сила упругости возрастают на­столько, что сила упругости уравновешивает силу тяжести
4) При уменьшении нагрузки, вызывающей деформацию

8. Чтобы определить силу упругости, надо воспользоваться зако­ном Гука. Его выражает формула:

1) Fупр = Fтяж
2) P = Fтяж
3) F = gm
4) F = kΔl

9. Какие деформации называют упругими?

1) Такие, при которых тело разрушается
2) Те, после которых тело возвращается к начальным разме­рам и форме
3) Которые вызывают сохраняющееся изменение формы тела
4) Которые вызывают не исчезающее со временем изменение объёма тела

10. Как вес зависит от массы тела?

1) Чем больше масса тела, тем больше вес
2) Чем меньше масса тела, тем больше вес
3) Вес не зависит от массы тела
4) Среди ответов нет правильного

11. На каком рисунке буква F обозначает вес?

1) №1
2) №2
3) №3
4) Нет такого рисунка

12. В каких единицах измеряют силу?

1) Килограммах и граммах
2) Метрах и километрах
3) Ньютонах и килоньютонах
4) Нет верного ответа

13. Найдите силу тяжести, действующую на вазу с цветами, если её масса 1,5 кг.

1) 1,5 Н
2) 15 Н
3) 150 Н
4) 1500 Н

14. Определите по изображенному на рисунке ди­намометру вес бруска

1) 1,6 Н
2) 14 Н
3) 160 Н
4) 1600 Н

15. В мешок досыпали 20 кг сахарного песка. Как изменился вес мешка?

1) Увеличился на 20 Н
2) Увеличился на 10 Н
3) Увеличился на 200 Н
4) Не изменился

16. На ящик действуют силы F1 = 45 Н и F2 = 30 Н, показанные на рисунке. Какова их равнодействующая сила?

1) 75 Н
2) 50 Н
3) 25 Н
4) 15 Н

17. Определите равнодействующую сил F1 = 30 Ни F2 = 20 Н, дей­ствующих на тележку.

1) 50 Н
2) 30 Н
3) 20 Н
4) 10 Н

18. Какое явление служит причиной невозможности движения транспорта по инерции?

1) Всемирное тяготение
2) Притяжение к Земле
3) Трение
4) Действие сил тяжести и упругости

19. Какой вид трения действует при движении вагонетки?

1) Трение скольжения
2) Трение качения
3) Трение покоя

20. В каком из названных случаев трение увеличивают?

1) В замочную скважину капают масло
2) Заливают катки водой
3) На подошве зимней обуви делают бороздки
4)Полозья санок изготавливают гладкими

Ответы на тест по физике Силы1 вариант
1-3
2-4
3-1
4-3
5-2
6-2
7-4
8-3
9-3
10-1
11-3
12-2
13-3
14-1
15-2
16-4
17-3
18-3
19-2
20-42 вариант
1-4
2-3
3-2
4-2
5-1
6-2
7-1
8-4
9-3
10-2
11-3
12-4
13-2
14-4
15-4
16-3
17-1
18-4
19-4
20-13 вариант
1-1
2-3
3-4
4-2
5-1
6-1
7-2
8-4
9-3
10-3
11-4
12-4
13-3
14-1
15-3
16-2
17-4
18-3
19-320-1
4 вариант
1-4
2-1
3-4
4-1
5-2
6-1
7-3
8-4
9-2
10-1
11-3
12-3
13-2
14-2
15-3
16-4
17-1
18-3
19-2
20-3

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).

Ссылка на основную публикацию