1. Czym jest siła?
Siła jest miarą oddziaływania, jakie występuje między ciałami. Między masami działają więc siły grawitacji, a między spoczywającymi ładunkami elektrycznymi działają siły elektryczne. Przewody z prądem działają na siebie siłami magnetycznymi, a ty działasz siłą, gdy uderzasz piłkę lub popychasz drzwi.
2. Co świadczy o tym, że między ciałami istnieje oddziaływanie?
O istnieniu oddziaływań świadczą ich skutki. Mogą one być statyczne (rozciągnięcie, ugięcie, odkształcenie ciała) lub dynamiczne (zmiana prędkości, zatrzymanie, wprawienie w ruch).
3. Jak opisujemy oddziaływania?
Aby opisać oddziaływanie, trzeba określić, jak duże siły działają na ciało i gdzie zostały przyłożone. Siła jest w fizyce wektorem, a to wymaga podania nie tylko jej wartości, ale również kierunku, zwrotu i punktu przyłożenia.
O tym, jak ciało się zachowa podczas oddziaływania z innymi ciałami, decyduje siła wypadkowa. Jest ona wynikiem wektorowego dodawania wszystkich sił działających na ciało. O tym, jak zmienia się ruch ciała w zależności od działających sił, mówią zasady dynamiki.
4. O czym mówi pierwsza zasada dynamiki?
Pierwsza zasada podaje warunki, jakie muszą być spełnione, aby ciało pozostało w spoczynku lub poruszało się ruchem jednostajnym prostoliniowym.
Jeśli siły działające na ciało równoważą się (czyli ich wypadkowa jest równa zero), to ciało pozostaje w spoczynku
lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.
Z zasady tej wynika wniosek, że jeśli ruch ciała jest jednostajny i prostoliniowy, to nie wymaga on działania żadnej siły! Warto tę zasadę zapamiętać, ponieważ nasze potoczne, błędne wyobrażenia są takie, że do każdego ruchu potrzebne jest działanie siły. Siła jest wprawdzie niezbędna do wprawienia ciała w ruch, zatrzymania go, zmiany kierunku ruchu, ale do podtrzymywania ruchu ciała z tą samą prędkością nie jest wcale potrzebna!
Skojarz na przykładzie!
Na każde ciało w Twoim otoczeniu działają jakieś siły. Jeśli zdarzy się tak, że siły te będą się równoważyć, to zaobserwujesz, że ciało porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym lub spoczywa.
5. Dlaczego pierwszą zasadę dynamiki nazywamy również zasadą bezwładności?
Każde ciało ma „skłonność” do tego, aby zachować swój dotychczasowy stan ruchu lub stan spoczynku. Trwa w nim tak długo, dopóki siły zewnętrzne nie zmuszą ciała do zmiany tego stanu. To przeciwstawianie się zmianom ruchu lub spoczynku to własność wszystkich ciał, którą nazywamy bezwładnością lub inercją.
Ponieważ ruch i spoczynek opisujemy zawsze względem wybranego układu odniesienia, więc taki układ, względem którego spełnione są zasady dynamiki, nazwano układem inercjalnym. Dla znacznej liczby zjawisk, które opisujesz w Twoim otoczeniu, za taki układ przyjmujesz zwykle ziemię, uważając ją za układ nieruchomy.
6. Jak porusza się ciało pod wpływem działania siły?
Jeśli siły działają na ciało w ten sposób, że ich dodawanie daje pewną stałą, wypadkową siłę, to siła ta zmienia stan ruchu ciała. O tym, jak zachowuje się ciało pod wpływem stałej siły, mówi druga zasada dynamiki.
Jeśli wypadkowa wszystkich sił działających na ciało jest różna od zera (czyli siły się nie równoważą), to ciało porusza się ruchem zmiennym. Przyspieszenie ciała jest wprost proporcjonalne do działającej siły, a odwrotnie proporcjonalne do masy ciała.
Kierunek i zwrot przyspieszenia, jakie uzyskuje ciało, jest zawsze zgodny z kierunkiem i zwrotem działającej siły.
7. Jak obliczamy przyspieszenie ciała pod działaniem stałej siły?
Drugą zasadę dynamiki zapisujemy również w postaci matematycznej wzorem:
W praktyce, jeśli chcemy obliczyć wartość przyspieszenia, to musimy zastosować ten wzór, podstawiając odpowiednie wartości, a więc:
8. Kiedy ciało przyspiesza, a kiedy zwalnia?
Jeśli ciało jest już w ruchu i podziała na nie siła, której kierunek i zwrot jest taki jak kierunek i zwrot prędkości ciała, to ciało zacznie poruszać się ruchem jednostajnie przyspieszonym.
Jeśli do ciała w ruchu przyłożymy siłę o kierunku i zwrocie przeciwnym do jego prędkości, to ruch ciała stanie się jednostajnie opóźniony.
Skojarz na przykładzie!
Jeśli samochód jedzie ze stałą szybkością, to siła oporu ruchu równoważy siłę ciągu silnika.
Jeśli zwiększymy siłę ciągu silnika (czyli dociśniemy pedał gazu),
to wypadkowa obu sił będzie skierowana tak jak wektor prędkości i samochód zacznie poruszać się ruchem jednostajnie przyspieszonym.
Jeśli wyłączymy silnik, to na samochód będzie działać tylko siła oporu ruchu, skierowana przeciwnie do prędkości samochodu. Pod jej wpływem pojazd zacznie się poruszać ruchem jednostajnie opóźnionym, aż do zatrzymania.
9. Jaki wpływ na przyspieszenie ma masa ciała?
Masa jest wielkością, która mówi nam o tym, jak bardzo ciało jest bezwładne, czyli jak trudno jest zmienić stan jego ruchu. Im większa masa ciała, tym większa bezwładność i większa trudność we wprawieniu ciała w ruch. Jeśli na dwa ciała działa taka sama siła, to większe przyspieszenie będzie miało to ciało, które ma mniejszą masę.
Skojarz na przykładzie!
Jedno ciało ma masę 5 kg, a drugie ciało ma masę 1 kg. Obliczamy, jakie przyspieszenia uzyskają te ciała pod wpływem działania stałej siły 20 N:
Ciało, którego masa jest pięć razy mniejsza, uzyskuje pod działaniem tej samej siły pięć razy większe przyspieszenie. Mówimy, że przyspieszenie jest odwrotnie proporcjonalne do masy ciała.
10. Jaka siła zmienia prędkość ciała w ruchu po okręgu?
Dla ciała, poruszającego się po okręgu, kierunek wektora prędkości w każdej chwili się zmienia. Druga zasada dynamiki mówi, że zmiana prędkości jest możliwa tylko pod działaniem siły. Siła, która działa na ciało poruszające się po okręgu, w każdej chwili może zakrzywiać tor ruchu tego ciała. Taką siłę nazywamy siłą dośrodkową. Jest ona, podobnie jak przyspieszenie dośrodkowe, w każdej chwili prostopadła do wektora prędkości i skierowana wzdłuż promienia.
Ponieważ wartość przyspieszenia dośrodkowego wyraża się wzorem:
więc z drugiej zasady dynamiki możemy otrzymać wzór na wartość siły dośrodkowej:
Przykładem siły dośrodkowej jest oddziaływanie grawitacyjne między Ziemią a Księżycem. Siła ta utrzymuje Księżyc w ruchu po orbicie kołowej, nieustannie zakrzywiając tor jego ruchu. Gdyby ta siła nagle przestała działać, to dalszy ruch Księżyca byłby ruchem jednostajnym po linii prostej, zgodnie z kierunkiem wektora prędkości i z tą wartością prędkości, którą miał w momencie, gdy ustało oddziaływanie.
11. Jak brzmi trzecia zasada dynamiki?
Trzecia zasada dynamiki mówi o tym, że wszystkie oddziaływania są wzajemne. Niemożliwe jest istnienie tylko jednej siły, gdyż występują one zawsze parami. Chcąc podkreślić wzajemną zależność tych sił, nazywamy je często siłami akcji i reakcji.
Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał mają takie same wartości, taki sam kierunek, przeciwne zwroty i różne punkty przyłożenia, ponieważ każda z tych sił działa na inne ciało.
Warto pamiętać, że siły te nigdy się nie równoważą, gdyż każda z nich przyłożona jest do innego ciała.
Skojarz na przykładzie!
Jakie siły działają na książkę leżącą na stole? Na co działa książka? Które siły się równoważą, a które są siłami akcji i reakcji?
Wszystkie siły przedstawione na rysunku mają tę samą wartość. Wynika to z tego, że książka naciska na stół tak samo dużą siłą, jaką Ziemia przyciąga książkę. Równoważą się te siły, które są przyłożone do książki i dlatego książka jest w spoczynku. Siłami akcji i reakcji są tutaj dwie pary sił oznaczone odmiennymi kolorami.
12. Czy w ruchu po okręgu też jest spełniona trzecia zasada dynamiki?
Na ciało poruszające się po okręgu działa siła dośrodkowa. Jej źródłem jest zawsze inne ciało, które pełni w tym przypadku rolę układu odniesienia. Sile dośrodkowej również musi towarzyszyć siła reakcji. Siłą dośrodkową, która powoduje ruch Księżyca wokół Ziemi, jest oddziaływanie Ziemi na Księżyc. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Księżyc również działa tak samo dużą siłą grawitacji na Ziemię. Siłę reakcji nazywamy w tym przypadku siłą odśrodkową.
