По наклонной плоскости с. Простые механизмы. Золотое правило механики

Тело, которое соскальзывает вниз по наклонной плоскости . В этом случае на него действуют следующие силы:

Сила тяжести mg, направленная вертикально вниз;

Сила реакции опоры N, направленная перпендикулярно плоскости;

Сила трения скольжения Fтр, направлена противоположно скорости (вверх вдоль наклонной плоскости при соскальзывании тела).

Введем наклонную систему координат, ось OX которой направлена вдоль плоскости вниз. Это удобно, потому что в этом случае придется раскладывать на компоненты только один вектор - вектор силы тяжести mg, а вектора силы трения Fтр и силы реакции опоры N уже направлены вдоль осей. При таком разложении x-компонента силы тяжести равна mg sin(α) и соответствует «тянущей силе», ответственной за ускоренное движение вниз, а y-компонента - mg cos(α) = N уравновешивает силу реакции опоры, поскольку вдоль оси OY движение тела отсутствует.

Сила трения скольжения Fтр = µN пропорциональна силе реакции опоры. Это позволяет получить следующее выражение для силы трения: Fтр = µmg cos(α). Эта сила противонаправлена «тянущей» компоненте силы тяжести. Поэтому для тела, соскальзывающего вниз, получаем выражения суммарной равнодействующей силы и ускорения:

Fx = mg(sin(α) – µ cos(α));

ax = g(sin(α) – µ cos(α)).

ускорение:

скорость равна

v=ax*t=t*g(sin(α) – µ cos(α))

через t=0.2 с

скорость равна

v=0.2*9.8(sin(45)-0.4*cos(45))=0.83 м/с

Силу, с которой тело притягивается к Земле под действием поля тяготения Земли, называют силой тяжести. По закону всемирного тяготения на поверхности Земли (или вблизи этой поверхности) на тело массой m действует сила тяжести

Fт=GMm/R2 (2.28)

где М - масса Земли; R - радиус Земли.

Если на тело действует только сила тяжести, а все другие силы взаимно уравновешены, тело совершает свободное падение. Согласно второму закону Ньютона и формуле (2,28) модуль ускорения свободного падения g находят по формуле

g=Fт/m=GM/R2. (2.29)

Из формулы (2.29) следует, что ускорение свободного падения не зависит от массы m падающего тела, т.е. для всех тел в данном месте Земли оно одинаково. Из формулы (2.29) следует, что Fт = mg. В векторном виде

В § 5 было отмечено, что поскольку Земля не шар, а эллипсоид вращения, ее полярный радиус меньше экваториального. Из формулы (2.28) видно, что по этой причине сила тяжести и вызываемое ею ускорение свободного падения на полюсе больше, чем на экваторе.

Сила тяжести действует на все тела, находящиеся в поле тяготения Земли, однако не все тела падают на Землю. Это объясняется тем, что движению многих тел препятствуют другие тела, например опоры, нити подвеса и т. п. Тела, ограничивающие движение других тел, называют связями. Под действием силы тяжести связи деформируются и сила реакции деформированной связи по третьему закону Ньютона уравновешивает силу тяжести.

В § 5 отмечалось также, что на ускорение свободного падения влияет вращение Земли. Это влияние объясняется так. Системы отсчета, связанные с поверхностью Земли (кроме двух, связанных с полюсами Земли), не являются, строго говоря, инерциальными системами отсчета - Земля вращается вокруг своей оси, а вместе с ней движутся по окружностям с центростремительным ускорением и такие системы отсчета. Эта неинерциальность систем отсчета проявляется, в частности, в том, что значение ускорения свободного падения оказывается различным в разных местах Земли и зависит от географической широты того места, где находится связанная с Землей система отсчета, относительно которой определяется ускорение свободного падения.

Измерения, проведенные на разных широтах, показали, что числовые значения ускорения свободного падения мало отличаются друг от друга. Поэтому при не очень точных расчетах можно пренебречь неинерциальностью систем отсчета, связанных с поверхностью Земли, а также отличием формы Земли от сферической, и считать, что ускорение свободного падения в любом месте Земли одинаково и равно 9,8 м/с2.

Из закона всемирного тяготения следует, что сила тяжести и вызываемое ею ускорение свободного падения уменьшаются при увеличении расстояния от Земли. На высоте h от поверхности Земли модуль ускорения свободного падения определяют по формуле

Установлено, что на высоте 300 км над поверхностью Земли ускорение свободного падения меньше, чем у поверхности Земли, на 1 м/с2.

Следовательно, вблизи Земли (до высот нескольких километров) сила тяжести практически не изменяется, а потому свободное падение тел вблизи Земли является движением равноускоренным.

Вес тела. Невесомость и перегрузки

Силу, в которой вследствие притяжения к Земле тело действует на свою опору или подвес, называют весом тела. В отличие от силы тяжести, являющейся гравитационной силой, приложенной к телу, вес - это упругая сила, приложенная к опоре или подвесу (т. е. к связи).

Наблюдения показывают, что вес тела Р, определяемый на пружинных весах, равен действующей на тело силе тяжести Fт только в том случае, если весы с телом относительно Земли покоятся или движутся равномерно и прямолинейно; В этом случае

Если же тело движется ускоренно, то его вес зависит от значения этого ускорения и от его направления относительно направления ускорения свободного падения.

Когда тело подвешено на пружинных весах, на него действуют две силы: сила тяжести Fт=mg и сила упругости Fyп пружины. Если при этом тело движется по вертикали вверх или вниз относительно направления ускорения свободного падения, значит векторная сумма сил Fт и Fуп дает равнодействующую, вызывающую ускорение тела, т. е.

Fт + Fуп=mа.

Согласно приведенному выше определению понятия "вес", можно написать, что Р=-Fyп. с учетом того, что Fт=mg, следует, что mg-mа=-Fyп. Следовательно, Р=m(g-а).

Силы Fт и Fуп направлены по одной вертикальной прямой. Поэтому если ускорение тела а направлено вниз (т.е. совпадает по направлению с ускорением свободного падения g), то по модулю

Если же ускорение тела направлено вверх (т. е. противоположно направлению ускорения свободного падения), то

Р = m = m(g+а).

Следовательно, вес тела, ускорение которого совпадает по направлению с ускорением свободного падения, меньше веса покоящегося тела, а вес тела, ускорение которого противоположно направлению ускорения свободного падения, больше веса покоящегося тела. Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением, называют перегрузкой.

При свободном падении a=g. следует, что в таком случае Р=0, т. е. вес отсутствует. Следовательно, если тела движутся только под действием силы тяжести (т. е. свободно падают), они находятся в состоянии невесомости. Характерным признаком этого состояния является отсутствие у свободно падающих тел деформаций и внутренних напряжений, которые вызываются у покоящихся тел силой тяжести. Причина невесомости тел заключается в том, что сила тяжести сообщает свободно падающему телу и его опоре (или подвесу) одинаковые ускорения.

Итак, постараюсь подробно описать ход моих рассуждений по этому вопросу. На первом уроке ставлю перед учащимися вопрос: как может тело двигаться по наклонной плоскости? Вместе отвечаем: скатываться равномерно, с ускорением; покоиться на наклонной плоскости; удерживаться на ней; съезжать под действием силы тяги равномерно, с ускорением; заезжать под действием силы тяги равномерно, с ускорением. На рисунках на двух-трех примерах показываем, какие при этом на тело действуют силы. Попутно ввожу понятие скатывающей равнодействующей. Записываем уравнение движения в векторной форме, затем в нем заменяем сумму скатывающей равнодействующей (обозначайте, как вам нравится). Это делаем по двум причинам: во-первых, нет необходимости проецировать векторы сил на ось и решать два уравнения; во-вторых, правильно будет показано соотношение сил, исходя из условия задачи.

Покажу на конкретных примерах. Пример 1: тело под действием силы тяги съезжает равномерно (Рисунок 1).

Ученики первым делом должны усвоить алгоритм построения рисунка. Изображаем наклонную плоскость, посередине нее – тело в виде прямоугольника, через середину тела параллельно наклонной плоскости проводим ось . Направление оси не существенно, но в случае равноускоренного движения лучше показать в сторону вектора , чтобы в алгебраической форме в уравнении движения в правой части перед был знак «плюс». Далее строим силы. Силу тяжести проводим вертикально вниз произвольной длины (требую рисунки делать крупными, чтобы всем было все понятно). Затем из точки приложения силы тяжести – перпендикуляр к оси , вдоль которого пойдет сила реакции опоры . Параллельно этому перпендикуляру из конца вектора проводим пунктирную линию до пересечения с осью . Из этой точки – пунктирную линию, параллельную до пересечения с перпендикуляром – получаем вектор правильной длины. Таким образом, мы построили параллелограмм на векторах и , автоматически указав правильную величину силы реакции опоры и построив по всем правилам векторной геометрии равнодействующую этих сил , которую я называю скатывающей равнодействующей (диагональ, совпадающая с осью ). В этом месте, воспользовавшись методом из учебника, на отдельном рисунке показываю силу реакции опоры произвольной длины: сначала короче, чем нужно, а потом длиннее, чем нужно. Показываю равнодействующую силы тяжести и силы реакции опоры: в первом случае она направлена вниз под углом к наклонной плоскости (Рисунок 2), во втором случае – вверх под углом к наклонной плоскости (Рисунок 3).

Делаем очень важный вывод: соотношение между силой тяжести и силой реакции опоры должно быть таким, чтобы тело под их действием (или под действием скатывающей равнодействующей) в отсутствие других сил двигалось вниз вдоль наклонной плоскости. Далее я спрашиваю: какие еще силы действуют на тело? Ребята отвечают: сила тяги и сила трения. Я задаю следующий вопрос: какую силу покажем сначала, а какую потом? Добиваюсь правильного и обоснованного ответа: сначала в этом случае надо показать силу тяги, а затем силу трения, модуль которой будет равен сумме модулей силы тяги и скатывающей равнодействующей: , т.к. по условию задачи тело движется равномерно, следовательно, равнодействующая всех сил, действующих на тело, должна равняться нулю согласно первому закону Ньютона. Для контроля задаю провокационный вопрос: так сколько сил действует на тело? Ребята должны ответить – четыре (не пять!): сила тяжести, сила реакции опоры, сила тяги и сила трения. Теперь записываем уравнение движения в векторной форме согласно первому закону Ньютона:

Заменяем сумму векторов скатывающей равнодействующей :

Получаем уравнение, в котором все векторы параллельны оси . Теперь запишем это уравнение через проекции векторов на ось :

Эту запись в дальнейшем можно пропускать. Заменим в уравнении проекции векторов на их модули с учетом направлений:

Пример 2 : тело под действием силы тяги заезжает на наклонную плоскость с ускорением (Рисунок 4).

В этом примере ученики должны сказать, что после построения силы тяжести, силы реакции опоры и скатывающей равнодействующей следующей надо показать силу трения, последним – вектор силы тяги, который должен быть больше суммы векторов , т.к. равнодействующая всех сил должна быть направлена так же, как вектор ускорения согласно второму закону Ньютона. Уравнение движения тела должны записать согласно второму закону Ньютона:

Если есть возможность на уроке рассмотреть другие случаи, то не пренебрегаем этой возможностью. Если нет, то даю это задание домой. Кто-то может рассмотреть все оставшиеся случаи, кто-то некоторые – право выбора учеников. На следующем уроке проверяем, исправляем ошибки и переходим к решению конкретных задач, предварительно выразив из векторных треугольников и :

Равенство (2) желательно проанализировать для различных углов . При имеем: , как при движении горизонтально под действием горизонтальной силы тяги. С ростом угла его косинус уменьшается, следовательно, уменьшается и сила реакции опоры и становится все меньше и меньше силы тяжести. При угле она равна нулю, т.е. тело не действует на опору и опора, соответственно, «не реагирует».

Предвижу вопрос оппонентов: как применить эту методику для случаев, когда сила тяги горизонтальна или направлена под углом к наклонной плоскости? Отвечу на конкретных примерах.

а) Тело с ускорением затаскивают на наклонную плоскость, прикладывая силу тяги горизонтально (Рисунок 5).

Горизонтальную силу тяги раскладываем на две составляющие: вдоль оси – и перпендикулярную оси – (операция, обратная построению равнодействующей перпендикулярных сил). Записываем уравнение движения:

Заменяем скатывающей равнодействующей, а вместо пишем :

Из векторных треугольников выражаем : и : .

Под действием горизонтальной силы тело не только поднимается вверх по наклонной плоскости, но еще и дополнительно прижимается к ней. Поэтому возникает дополнительная сила давления, равная модулю вектора и, согласно третьему закону Ньютона, дополнительная сила реакции опоры : . Тогда сила трения будет: .

Уравнение движения примет вид:

Вот мы полностью расшифровали уравнение движения. Теперь осталось выразить из него искомую величину. Попробуйте решить эту задачу традиционным способом и вы получите такое же уравнение, только решение будет громоздче.

б) Тело стаскивают равномерно с наклонной плоскости, прикладывая силу тяги горизонтально (Рисунок 6).

В этом случае сила тяги кроме стаскивания тела вниз вдоль наклонной плоскости еще и отрывает его от наклонной плоскости. Итак, окончательное уравнение имеет вид:

в) Тело затаскивают равномерно на наклонную плоскость, прикладывая силу тяги под углом к наклонной плоскости (Рисунок 7).

Предлагаю рассмотреть конкретные задачи, дабы еще убедительнее прорекламировать мой методический подход к решению таких задач. Но прежде обращаю внимание на алгоритм решения (я думаю, все учителя физики на него обращают внимание учеников, и все мое повествование было подчинено этому алгоритму):

1) внимательно прочитав задачу, выяснить, как движется тело;
2) сделать рисунок с правильным, исходя из условия задачи, изображением сил;
3) записать уравнение движения в векторной форме согласно первому или второму закону Ньютона;
4) записать это уравнение через проекции векторов сил на ось x (этот шаг в дальнейшем, когда умение решать задачи по динамике будет доведено до автоматизма, можно опустить);
5) выразить проекции векторов через их модули с учетом направлений и записать уравнение в алгебраической форме;
6) выразить модули сил по формулам (если есть необходимость);
7) выразить искомую величину.

Задача 1. За какое время тело массой соскальзывает с наклонной плоскости высотой и углом наклона , если по наклонной плоскости с углом наклона оно движется равномерно?

Каково было бы решать эту задачу привычным способом!

Задача 2. Что легче: удержать тело на наклонной плоскости или двигать его по ней равномерно вверх?

Здесь при объяснении без скатывающей равнодействующей, на мой взгляд, не обойтись.

Как видно из рисунков, в первом случае сила трения помогает удерживать тело (направлена в ту же сторону, что и удерживающая сила), во втором случае она вместе со скатывающей равнодействующей направлена против движения. В первом случае , во втором случае .

Наклонная плоскость представляет собой плоскую поверхность, расположенную под тем или иным углом к горизонтали. Она позволяет поднять груз с меньшей силой, чем если бы этот груз поднимался вертикально вверх. На наклонной плоскости груз поднимается вдоль этой плоскости. При этом он преодолевает большее расстояние, чем если бы поднимался вертикально.

Примечание 1

Причем во сколько раз происходит выигрыш в силе, во столько раз будет больше расстояние, которое преодолеет груз.

Рисунок 1. Наклонная плоскость

Если высота, на которую надо поднять груз, равна $h$, и при этом затрачивалась бы сила $F_h$, а длина наклонной плоскости $l$, и при этом затрачивается сила $F_l$, то $l$ так относится к $h$, как $F_h$ относится к $F_l$: $l/h = F_h/F_l$... Однако $F_h$ - это вес груза ($P$). Поэтому обычно записывают так: $l/h = P/F$, где $F$ - сила, поднимающая груз.

Величина силы $F$, которую надо приложить к грузу весом $Р$, чтобы тело находилось в равновесии на наклонной плоскости, равна $F_1 = Р_h/l = Рsin{\mathbf \alpha }$, если сила $Р$ приложена параллельно наклонной плоскости (рис.2, а), и $F_2$ = $Р_h/l = Рtg{\mathbf \alpha }$, если сила $Р$ приложена параллельно основанию наклонной плоскости (рис.2, б).

Рисунок 2. Движение груза по наклонной плоскости

а) сила параллельна плоскости б) сила параллельна основанию

Наклонная плоскость дает выигрыш в силе, с ее помощью можно легче поднять груз на высоту. Чем меньше угол $\alpha $, тем больше выигрыш в силе. Если угол $\alpha $ меньше угла трения, то груз самопроизвольно не будет двигаться, и нужно усилие, чтобы тянуть его вниз.

Если учесть силы трения между грузом и наклонной плоскостью, то для $F_1$ и $F_2$ получаются следующие значения: $F_1=Рsin($${\mathbf \alpha }$$\pm$${\mathbf \varphi }$)/cos${\mathbf \varphi }$; $F_2=Рtg($${\mathbf \alpha }$$\pm$${\mathbf \varphi }$)

Знак плюс относится к передвижению вверх, знак минус - к опусканию груза. Коэффициент полезного действия наклонной плоскости ${\mathbf \eta }$1=sin${\mathbf \alpha }$cos${\mathbf \alpha }$/sin(${\mathbf \alpha }$+${\mathbf \varphi }$), если сила $Р$ направлена параллельно плоскости, и ${\mathbf \eta }$2=tg${\mathbf \alpha }$/tg(${\mathbf \alpha }$+${\mathbf \varphi }$), если сила $Р$ направлена параллельно основанию наклонной плоскости.

Наклонная плоскость подчиняется «золотому правилу механики». Чем меньше угол между поверхностью и наклонной плоскостью (т. е. чем она более пологая, не круто поднимающаяся вверх), тем меньше надо прикладывать сил для подъема груза, но и большее расстояние необходимо будет преодолеть.

При отсутствии сил трения выигрыш в силе $K = P/F = 1/sin$$\alpha = l/h$. В реальных условиях из-за действия силы трения КПД наклонной плоскости меньше 1, выигрыш в силе меньше отношения $l/h$.

Пример 1

Груз массой 40 кг поднимают по наклонной плоскости на высоту 10 м при этом прикладывая силу 200 Н (рис.3). Какова длина наклонной плоскости? Трением пренебречь.

${\mathbf \eta }$ = 1

При движении тела по наклонной плоскости отношение прилагаемой силы к весу тела равно отношению длины наклонной плоскости к её высоте: $\frac{F}{P}=\frac{l}{h}=\frac{1}{{sin {\mathbf \alpha }\ }}$. Следовательно, $l=\frac{Fh}{mg}=\ \frac{200\cdot 10}{40\cdot 9,8}=5,1\ м$.

Ответ: Длина наклонной плоскости 5,1 м

Пример 2

Два тела с массами $m_1$ = 10 г и $m_2$ = 15 г связаны нитью, перекинутой через неподвижный блок, установленный на наклонной плоскости (рис. 4). Плоскость образует с горизонтом угол $\alpha $ = 30${}^\circ$. Найти ускорение, с которым будут двигаться эти тела.

${\mathbf \alpha }$ = 30 градусов

$g$ = 9.8 $м/c_2$

Направим ось ОХ вдоль наклонной плоскости, а ось ОY - перпендикулярно ей, и спроектируем на эти оси вектора $\ {\overrightarrow{Р}}_1\ и\ {\overrightarrow{Р}}_2$. Как видно из рисунка, равнодействующая сил, приложенных к каждому из тел, равна разности проекций векторов $\ {\overrightarrow{Р}}_1\ и\ {\overrightarrow{Р}}_2$ на ось ОХ:

\[\left|\overrightarrow{R}\right|=\left|P_{2x}-P_{1x}\right|=\left|m_2g{sin \alpha \ }-m_1g{sin \alpha \ }\right|=g{sin \alpha \left|m_2-m_1\right|\ }\] \[\left|\overrightarrow{R}\right|=9.8\cdot {sin 30{}^\circ \ }\cdot \left|0.015-0.01\right|=0.0245\ H\] \

Ответ: Ускорения тел $a_1=2,45\frac{м}{с^2};\ \ \ \ \ \ a_2=1,63\ м/с^2$

Аналогично рычагу , наклонные плоскости уменьшают усилие, необходимое для подъема тел. Например, бетонный блок весом 45 килограммов поднять руками довольно сложно, однако втащить его наверх по наклонной плоскости вполне возможно. Вес тела, размещенного на наклонной плоскости, раскладывается на две составляющие, одна из которых параллельна, а другая перпендикулярна ее поверхности. Для перемещения блока вверх по наклонной плоскости человек должен преодолеть только параллельную составляющую, величина которой растет с увеличением угла наклона плоскости.

Наклонные плоскости весьма разнообразны по конструктивному выполнению. Например, винт состоит из наклонной плоскости (резьбы), обвивающей по спирали его цилиндрическую часть. При вворачивании винта в деталь, его резьба проникает в тело детали, образуя очень прочное соединение за счет большого трения между деталью и витками резьбы. Тиски преобразуют действие рычага и вращательное движение винта в линейную сдавливающую силу. По такому же принципу работает и домкрат, используемый для подъема тяжелых грузов.

Силы на наклонной плоскости

У тела, находящегося на наклонной плоскости, сила тяжести действует параллельно и перпендикулярно ее поверхности. Для перемещения тела вверх по наклонной плоскости необходима сила, равная по величине составляющей силы тяжести, параллельной поверхности плоскости.

Наклонные плоскости и винты

Родство винта с наклонной плоскостью легко проследить, если обернуть цилиндр разрезанным по диагонали листом бумаги. Образующаяся спираль идентична по расположению резьбе винта.

Силы, действующие на винт

При повороте винта его резьба создает очень большую силу, приложенную к материалу детали, в которую он ввернут. Эта сила тащит винт вперед, если он поворачивается по часовой стрелке, и назад, если он поворачивается против часовой стрелки.

Винт для подъема тяжестей

Вращающиеся винты домкратов развивают огромную силу, позволяя им поднимать столь тяжелые тела как легковые или грузовые автомобили. При повороте центрального винта рычагом два конца домкрата стягиваются вместе, производя необходимый подъем.

Наклонные плоскости для расщепления

Клин состоит из двух наклонных плоскостей, соединенных своими основаниями. При забивании клина в дерево наклонные плоскости развивают боковые силы, достаточные для расщепления самых прочных пиломатериалов.

Сила и работа

Несмотря на то, что наклонная плоскость может облегчить задачу, она не уменьшает количество работы, требующееся для ее выполнения. Подъем бетонного блока весом 45 кг (W) на 9 метров вертикально вверх (дальний рисунок справа) требует совершения работы 45x9 килограммометров, что соответствует произведению веса блока на величину перемещения. Когда блок находится на наклонной плоскости с углом наклона 44,5°, сила (F), необходимая для втаскивания блока, уменьшается до 70 процентов от его веса. Хотя это и облегчает перемещение блока, зато теперь, чтобы, поднять блок на высоту 9 метров, его необходимо тащить по плоскости 13 метров. Другими словами выигрыш в силе равен высоте подъема (9 метров), деленной на длину перемещения по наклонной плоскости (13 метров).

Примечание 1

Рисунок 1. Наклонная плоскость