Урок 5. Инертность тел

ВИДЕО УРОК

Взаимодействие тел.

При неравномерном движении скорость тела меняется с течением времени. Изменение скорости тела происходит под действием другого тела.

Проделаем следующий опыт.

ОПЫТ:

К тележке прикрепим упругую пластинку. Затем изогнём её и свяжем нитью. Тележка относительно стола находится в покое. Станет ли двигаться тележка, если упругая пластина выпрямится ?

Для этого перережем нить. Пластинка выпрямится. Тележка же останется на прежнем месте.

Затем вплотную к согнутой пластинке поставим ещё одну такую же тележку. Вновь перережем нить. После этого обе тележки приходят в движение относительно стола. Они разъезжаются в разные стороны.

Чтобы изменить скорость тележки, понадобилось второе тело. Опыт показал, что скорость тела меняется только в результате действия на него другого тела (второй тележки). В данном опыте видно, что в движение пришла и вторая тележка. Обе стали двигаться относительно стола. Тележки действуют друг на друга, то есть они взаимодействуют.

Действие одного тела на другое не может быть односторонним, оба тела действуют друг на друга, то есть взаимодействуют.

ПРИМЕР:

Если человек, сидящий в лодке, отталкивает от себя другую лодку, то происходит взаимодействие. Обе лодки приходят в движение.

Если же человек прыгает с лодки на берег, то лодка отходит в сторону, противоположную прыжку. Человек подействовал на лодку. В свою очередь, и лодка действует на человека. Он приобретает скорость, которая направлена к берегу.

Пуля также находится в покое относительно ружья перед выстрелом. При взаимодействии (во время выстрела) пуля и ружьё движутся в разные стороны. Получается явление – отдача.

Делаем вывод, что в результате взаимодействия оба тела могут изменить свою скорость.

Согласно первому закону Ньютона тело движется без ускорения, то есть прямолинейно и равномерно, если на тело не действуют другие тела или если воздействия есть, но они скомпенсированы.

Выясним, при каких условиях тела движутся с ускорением. Опыт показывает, что когда тело движется с ускорением, то всегда можно указать другое тело или несколько тел, влияние которых вызвало это ускорение.

ПРИМЕР:

Тела, свободно падающие вниз, движутся с ускорением. Телом, вызвавшим их ускорение, является Земля.

Шайба, лежащая на льду, изменила свою скорость во время удара. Телом, сообщившим шайбе ускорение, является клюшка.

ОПЫТ:

Приблизим намагниченный стальной стержень (магнит) к железному шарику. Шарик, до этого покоившийся, начинает двигаться, у него появляется ускорение, вызванное действием магнита.

И до тех пор, пока действует магнит, шарик будет двигаться с ускорением, непрерывно увеличивая свою скорость.
Если приблизить магнит к движущемуся шарику так, как показано на рисунке,

то изменится направление его скорости: траектория шарика искривится. Это, как известно, означает, что у шарика появилось центростремительное ускорение. В этом опыте видно, что влияние внешнего тела является причиной именно изменения движения, а не самого движения. Ведь шарик двигался и до того, как мы приблизили к нему магнит !

Таким образом, причиной ускорения тела является влияние на него других тел.

От чего зависит абсолютное значение и направление ускорения, которое сообщается телу благодаря влиянию другого тела ?

Чтобы найти ответ на этот вопрос обратимся к опыту.

В самом простом случае в опыте должны участвовать два тела: то, которое влияет, и то, которое подвергается этому влиянию.

Но в действительности оба тела, так сказать, <<равноправны>>. Каждое из них и влияет на другое тело, и само подвергается влиянию.

ПРИМЕР:

Когда футболист, в стремительном беге, сталкивается с другим футболистом, то оба они изменяют свою скорость.

Вообще, каждый раз, когда какое-нибудь тело  А  получает ускорение из-за того, что на него действует тело  В, само тело  В тоже получает ускорение. Происходит, как говорят, взаимодействие тел, и оба они получают ускорения. Каковы эти ускорения ?

Ускорение тел при их взаимодействии.

Множество опытов, проведённых с различными телами, показали , что при взаимодействии двух тел их ускорения направлены противоположно друг другу. Кроме того, для двух данных взаимодействующих тел отношение абсолютных значений их ускорений всегда одно и тоже. Это отношение совершенно не зависит от того, как происходит взаимодействие тел.

ПРИМЕР:

Это может быть столкновение двух тел.

Это может быть взаимодействие тех же тел, связанных между собой пружиной, нитью, проволокой.

Тела, наконец, могут взаимодействовать, не соприкасаясь друг с другом, как, например, взаимодействуют планеты с Солнцем или Луна с Землёй, магнит с куском железа.

Сами же абсолютные значения ускорений каждого из тел могут быть совершенно различными при различных взаимодействиях. Одинаково лишь отношение ускорений.

ОПЫТ:

Если взять две тележки одинакового размера – одну алюминиевую, а другую стальную

и заставили бы их столкнуться, то во время столкновения обе они изменили бы свою скорость, получили ускорения. Измерения показали бы, что ускорение

алюминиевой тележки по абсолютному значению в три раза больше ускорения

стальной независимо от того, какие скорости смели тележки до столкновения:

Направления ускорений обеих тележек противоположны друг другу.

Измерять ускорения тележек при столкновении очень трудно, потому что столкновение длится очень короткое время. Значительно проще провести опыт, в котором взаимодействующие тела движутся равномерно по окружности, и измерить центростремительные ускорения этих тел.

ОПЫТ:

Два одинаковых по размеру цилиндра – алюминиевый  и стальной – с просверленными по осям отверстиями надеты на стержень, вдоль которого они могут скользить с малым трением.

Установим стержень с цилиндрами на центробежную машину и приведём её во вращение. Цилиндры тотчас же соскользнут к концам стержня. В этом опыте цилиндры не взаимодействуют друг с другом.

Свяжем теперь цилиндры тонкой нитью и снова приведём стержень во вращение. Теперь цилиндры взаимодействуют друг с другом посредством связывающей их нити.

При определённых расстояниях цилиндров до оси вращения стержня они не будут соскальзывать со стержня, а будут двигаться по окружностям. Радиусы  r₁  и  r₂  этих окружностей – это расстояния цилиндров до оси вращения. Но по окружности тело движется с центростремительным ускорением, направленным к центру и равным

ω² r,

где  

ω – угловая скорость вращения стержня,

r – радиус окружности.

Отношение абсолютных значений ускорений алюминиевого и стального цилиндров поэтому равно:

Измерив радиусы  r₁  и  r₂, мы увидим, что для алюминиевого цилиндра радиус  r₁  втрое больше радиуса  r₂  окружности, по которой движется стальной цилиндр. Это значит, что отношение ускорений цилиндров равно трём.

Можно изменить длину нити, связывающей цилиндры; можно 

изменить скорость вращения стержня. Всё это изменит ускорение каждого из цилиндров. Но опыт показывает, что отношение ускорений в любом случае останется равным  3. Так, мы убедились, что при любом взаимодействии двух данных тел отношение их ускорений одно и то же.

Инертность тел.

Отношение ускорений, получаемых двумя телами при их взаимодействии, зависит не от способа взаимодействия, а только от самих тел. Следовательно, каждое тело обладает каким-то особым свойством, которое и определяет отношение его ускорения к ускорению того тела, с которым оно взаимодействует.

Когда тело движется без ускорения, то есть с неизменной скоростью, говорят, что оно движется по инерции. При взаимодействии тел каждое из них изменяет свою скорость. Ускорения взаимодействующих тел различны. Из того факта, что ускорение одного из тел по абсолютному значению оказывалось меньше, чем у другого, можно заключить, что за одно и то же время, в течении которого длится взаимодействие, одно из тел изменяет свою скорость меньше, чем другое.

Так как ускорение тела равно отношению изменения скорости к промежутку времени  t, в течении которого произошло это изменение:

Поэтому, чем меньше ускорение тела, тем меньше меняется его скорость за заданное время  t.

О теле, которое в результате взаимодействия меньше изменяет свою скорость, говорят, что оно более инертно, чем второе. Ведь, если бы оно совсем не меняло свою скорость, то тело двигалось бы по инерции, то есть прямолинейно и равномерно.

Физическое свойство тела, от которого зависит величина ускорения, приобретаемого телом под действием различных сил, называется его инертностью.

Инертность – это свойство, присущее всем телам. 

Состоит оно в том, что для изменения скорости тела на заданную величину нужно, чтобы действие на него определённого другого тела длилось некоторое время. Чем это время больше, тем инертнее тело.

Из двух взаимодействующих тел то тело более инертно, которое медленнее изменяет свою скорость.

Следующий опыт ясно показывает, как проявляется инертность тел и какую роль играет время воздействия одного тела на другое.

ОПЫТ:

На тонкой нити подвешен шар.

Снизу к нему прикреплена вторая такая же нить. Если резко дёрнуть за нижнюю нить, то она обрывается, а шар продолжает висеть на верхней нити.

Но если нижнюю нить тянуть, а не дёргать, то оборвётся верхняя нить и шар упадёт.

Это объясняется тем, что когда за нижнюю нить дёргать резко, то время её воздействия на шар оказывается настолько малым, что шар не успевает значительно увеличить свою скорость (не успевает набрать скорость) и совершить заметное перемещение вниз. Поэтому верхняя нить не обрывается. Нижняя же нить обладает малой инертностью и при рывке приобретает значительную скорость, поэтому её перемещение оказывается достаточным для разрыва. Когда же за нижнюю нить тянуть медленно, она воздействует на шар длительное время, и за это время шар успевает приобрести такую скорость, что его перемещение оказывается достаточным для разрыва и без того растянутой верхней нити.

Задания к уроку 5   

• Задание 1