1. Ruch prostoliniowy. Oddziaływania i siły

E-LEARNING NR 2
Ruch
prostoliniowy.
Oddziaływania i
siły
Kinematyka
tel. 502 921 586, mail: [email protected]
Ruch jednostajny prostoliniowy to taki ruch, którego torem jest linia prosta a prędkość ciała jest stała np.
ruch pociągu lub samochodu poruszających się ze stałą prędkością po linii prostej. W ruchu jednostajnym
prostoliniowym ciało w jednakowych odcinkach czasu przebywa jednakową drogę. Droga ta jest
proporcjonalna do czasu trwania ruchu.
Przykład: Jeżeli samochód porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym z prędkością 10 m/s to w
czasie 1 sekundy pokona 10 metrów, w ciągu 2 sekund 20 metrów i tak dalej.
Prędkość w ruchu jednostajnym prostoliniowym
W ruchu prostoliniowym, zwrot prędkości nie zmienia się a długość wektora przesunięcia jest równa przebytej
drodze. Wartość prędkości (szybkość) V można wtedy obliczyć dzieląc drogę s przez czas t, w którym ta droga
została przebyta.
Jeśli ciało porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, prędkość średnia tego ciała równa jest prędkości
chwilowej w każdym momencie ruchu.
Prędkość jest wielkością wektorową. Każdy wektor ma: kierunek, zwrot oraz długość (wartość). Jeśli ciało
porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, to każde odstępstwo od toru prostoliniowego spowoduje
zmianę kierunku wektora prędkości. Powstały wektor nie jest więc tym samym wektorem co dotychczasowy,
mimo że wartość (długość) obu wektorów nie uległa zmianie. Ruch jednostajny prostoliniowy możemy opisać
najprościej za pomocą zapisu wektorowego:
Taki zapis oznacza, że prędkość zachowuje stałe: wartość, kierunek i zwrot.
W ruchu jednostajnym prostoliniowym drogę przebytą przez ciało obliczamy, za pomocą wzoru:
S = v/t
gdzie:
– droga przebyta przez ciało;
tel. 502 921 586, mail: [email protected]
– wartość prędkości ciała;
– czas ruchu ciała.
Jeśli znamy długość drogi do przebycia i wartość prędkości, z jaką będziemy jechać, możemy obliczyć czas
potrzebny do pokonania tej odległości.
W ruchu jednostajnym prostoliniowym czas ruchu ciała wyznaczamy według wzoru:
t = v/s
gdzie:
– czas trwania ruchu ciała;
– droga przebyta przez ciało;
– wartość prędkości ciała.
Ruch jednostajny prostoliniowy oznacza, że ciało porusza się ze stałą prędkością po torze będącym linią
prostą. W ruchu jednostajnym prostoliniowym ciało przebywa jednakowe odcinki drogi w równych
odstępach czasu. Prędkość zawiera informację o tym, jaką drogę przebyło dane ciało w określonej
jednostce czasu.
W ruchu jednostajnym prostoliniowym prędkość obliczamy ze wzoru:
gdzie:
v – wartość prędkości ciała;
s– droga przebyta przez ciało;
t – czas ruchu ciała.
Podsumowanie
Ruch jednostajny prostoliniowy przedstawiamy graficznie za pomocą wykresów zależności drogi od
czasu oraz prędkości od czasu
Wykresy drogi od czasu i prędkości od czasu są ze sobą ściśle związane.
Im większy kąt nachylenia wykresu do osi czasu, tym większa prędkość, z jaką porusza się ciało.
tel. 502 921 586, mail: [email protected]
Jeśli w badanym przedziale czasu wykres zależności będzie linią poziomą, to odpowiadający mu wykres
zależności będzie przedstawiał prostą leżącą na osi czasu.
Aby wyznaczyć drogę na podstawie wykresu zależności dla wybranego przedziału czasowego, należy
obliczyć pole powierzchni prostokąta utworzonego pod wykresem .
Wykres zależności drogi od czasu pozwala obliczyć prędkość przemieszczającego się ciała. W tym celu
należy odczytać z wykresu drogę przebytą przez ciało i podzielić ją przez czas, w którym ta droga została
przebyta. Następnie trzeba podzielić odczytaną drogę przez odczytany czas.
Szczególnym przypadkiem ruchu zmiennego jest ruch przyspieszony. Cechą charakterystyczną tego ruchu
jest wzrost prędkości poruszającego się ciała w pewnym przedziale czasu. Wówczas torem ruchu mogą być
zarówno linia prosta, jak i krzywa.
Gdy torem ruchu ciała jest linia prosta, a przyrost prędkości jest jednakowy w każdej sekundzie tego ruchu,
to ruch taki nazywamy ruchem jednostajnie przyspieszonym prostoliniowym.
Rodzaje oddziaływań w przyrodzie
Wokół nas występuje wiele różnych oddziaływań, z których obecności często nie zdajemy sobie sprawy.
Kiedy łamiemy gałęzie na ognisko, pocieramy ręce, by się ogrzać, kopiemy piłkę czy też podnosimy jakiś
przedmiot, mamy do czynienia z oddziaływaniami bezpośrednimi, do których należą ciągnięcie, pchanie,
podnoszenie, zginanie, skręcanie, rozrywanie, rozciąganie, ściskanie, zgniatanie itd.
Oddziaływania bezpośrednie wymagają bezpośredniego kontaktu ciał.
Spadanie jabłka jest wynikiem wzajemnego oddziaływania Ziemi i jabłka, nie jest jednak spowodowane ich
bezpośrednim kontaktem. Podobnie jest, gdy igła kompasu wskazuje północ lub gdy planety krążą po elipsie
wokół swoich słońc. Jeśli ciała na siebie oddziałują, ale nie są ze sobą w bezpośrednim kontakcie, mówimy,
że występuje między nimi oddziaływanie na odległość. Niektóre oddziaływania nie wymagają
bezpośredniego kontaktu ciał. Dochodzi wówczas do oddziaływania na odległość.
tel. 502 921 586, mail: [email protected]
Izaak Newton badał ruchy ciał niebieskich. Udowodnił, że prawa rządzące spadkiem ciał znajdujących się
przy powierzchni Ziemi są takie same jak te opisujące ruchy ciał niebieskich. Inaczej mówiąc, takim samym
prawom fizyki podlega ruch ciał niebieskich zarówno w pobliżu Ziemi (ruch Księżyca), jak
i w najodleglejszych zakątkach Wszechświata. Oddziaływania grawitacyjne mają więc charakter powszechny.
W VII wieku przed naszą erą grecki filozof Tales z Miletu opisał właściwość bursztynu. Polegała ona na
przyciąganiu niektórych lekkich przedmiotów po uprzednim potarciu o sukno. Ciała doprowadzone do takiego
stanu jak bursztyn potarty o sukno zostały nazwane ciałami naelektryzowanymi lub dosłownie
„nabursztynionymi”, ponieważ nazywano w tamtych czasach „elektronem”.
Już w starożytności wiedziano o istnieniu ciał przyciągających inne ciała. O ile bursztyn należało potrzeć, aby
przyciągał on włosy czy skrawki sukna, o tyle magnesy przyciągały zawsze, ale tylko przedmioty wykonane
z żelaza. Zaobserwowano również, że ciało zwane magnesem potrafi spowodować, że inne ciało zrobione
z żelaza i umieszczone w pobliżu uzyska własności magnetyczne. Zauważono także, że dwie strony magnesu
mają różne właściwości – zwrócone do siebie magnesy mogły się albo przyciągać, albo odpychać.
Oddziaływania magnetyczne to przyciąganie lub odpychanie się ciał mających właściwości magnetyczne.
W zależności od tego, którymi biegunami magnesy zostaną do siebie zbliżone, będą się one albo przyciągać,
albo odpychać. Magnes ma zawsze dwa bieguny.
Gdy zbliżymy dwa magnesy skierowane do siebie tymi samymi biegunami (jednoimiennymi), to
zaobserwujemy odpychanie się magnesów, a gdy będą one skierowane do siebie biegunami różnoimiennymi
– przyciąganie.
Aby łatwiej było rozpoznać, z którym biegunem mamy do czynienia, końce często są pomalowane na dwa
kolory. Kolor niebieski oznacza jeden z biegunów, a czerwony – drugi.
Magnes ma dwa bieguny – gdy
podzielimy jeden magnes na pół, to powstaną z niego dwa nowe magnesy, które będą mieć dwa bieguny – tak
jak magnes, z którego powstały. Żelazo i jego stopy łatwo się magnesują, więc wykorzystuje się te metale
w urządzeniach, np. kompasach, których działanie oparte jest na siłach magnetycznych. Konstruktorami
pierwszego kompasu byli Chińczycy.
tel. 502 921 586, mail: [email protected]
Północny biegun igły magnetycznej kompasu pokazuje północ
geograficzną Ziemi. Nasza planeta jest ogromnym magnesem, którego magnetyczny biegun południowy
znajduje się w pobliżu geograficznego bieguna północnego, a magnetyczny biegun północny – w pobliżu
geograficznego bieguna południowego. się okazuje, oddziaływania elektryczne i magnetyczne są ze sobą
ściśle powiązane – najprostszym przykładem jest elektromagnes, którego zasada działania jest następująca:
w przewodzie (może być on na przykład owinięty dookoła rdzenia wykonanego z żelaza) płynie prąd
elektryczny, dzięki czemu rdzeń uzyskuje właściwości magnetyczne.
Oddziaływania grawitacyjne,
elektryczne i magnetyczne są oddziaływaniami o dalekim zasięgu, ponieważ ich skutki są odczuwalne nawet
przy znacznych odległościach. Niektóre ciała, takie jak sprężyna, guma lub elastyczna, cienka gałąź, można
tak odkształcić, aby po ustaniu działania siły zewnętrznej powróciły one do swojego pierwotnego kształtu.
Takie odkształcenie nazywamy sprężystym.
Oddziaływania, które powodują, że odkształcone, ale nie trwale zdeformowane ciało wraca do swojego
pierwotnego kształtu, nazywamy oddziaływaniami sprężystymi. Oddziaływania występujące w przyrodzie
są wzajemne, tzn. gdy jedno ciało działa na drugie, to drugie działa na pierwsze. Każde oddziaływanie niesie
pewien określony skutek. Pole magnetyczne Ziemi powoduje, że igła kompasu się obraca, kopnięcie piłki
wprawia ją w ruch, a powiew wiatru sprawia, że gałąź drzewa się ugina. Czasami te skutki są bardziej
widoczne, a czasami – mniej. Skutki oddziaływań dzielimy na dwie grupy: skutki statyczne i skutki
dynamiczne. Jednym z najczęściej spotykanych skutków oddziaływań jest zmiana kształtu lub objętości
ciała, np. wygięcie linijki, rozciągnięcie sprężyny, złamanie patyczka, zgniecenie kulki plasteliny albo puszki
po napoju. Skutki polegające na odkształceniu ciała nazywamy skutkami statycznymi.
tel. 502 921 586, mail: [email protected]
Podsumowanie
Nazwa
oddziaływania
grawitacyjne
Źródła oddziaływania
Skutki oddziaływania
wszystkie ciała
przyciąganie ciał
elektryczne
ciała mające ładunek
elektryczny
magnetyczne
magnesy, Ziemia,
przewody, w których
płynie prąd elektryczny,
namagnesowane ciała
zawierające żelazo
tel. 502 921 586, mail: [email protected]
Przykłady zjawisk
spadanie jabłka,
utrzymywanie się
Księżyca na orbicie
wokół Ziemi
przyciąganie lub odpychanie odpychanie się
ciał obdarzonych ładunkiem czesanych włosów,
elektrycznym
przyciąganie drobnych
kawałków papieru przez
potarty bursztyn
przyciąganie lub odpychanie wskazywanie
się magnesów
kierunków
i namagnesowanych ciał,
geograficznych przez
przyciąganie ciał
igłę kompasu, działanie
zawierających żelazo
elektromagnes