Законы физики в наклонных плоскостях
В предыдущем разделе мы изучали поведение тела, на которое действует единственная сила — направленная вниз сила тяжести. Но что происходит, когда к телу одновременно приложены две силы или даже больше? Предположим, на полу лежит какой-то предмет. На него действуют сила тяжести (направлена вниз) и сила со стороны пола (направлена вверх). На ровном полу тело не имеет ускорения, а на наклонном — вроде пандуса — тело имеет ускорение, направленное вниз. В этом разделе мы рассмотрим движение тел по наклонной плоскости. Уклоны добавляют адреналина в такие виды спорта, как скейтбординг и горные лыжи, а пандусы и погрузочные трапы повсеместно используются для подъема и транспортировки тяжелых предметов.
Рояль на тротуаре. Представьте себе, что у вас есть знакомая, талантливая пианистка, чье дарование публика еще не оценила сполна. Она только что сняла новую квартиру и просит вас помочь ей поднять с улицы в комнату кабинетный рояль, поскольку услуги профессиональных грузчиков (рис. 1.3.1) ей не по карману.
Можно считать, что вам еще повезло — квартира вашей приятельницы находится всего лишь на втором этаже. Но все равно перед вами стоит непростая задача — как поднять наверх тяжелый рояль? И что еще важнее — как сделать так, чтобы во время транспортировки он не рухнул вниз?
Проблема в том, что вы не сможете одним махом забросить рояль на второй этаж. Конечно, можно разрубить инструмент на части и перенести их по очереди. Но тут есть одно маленькое "но" — доставку дров ваша знакомая не заказывала. Разумнее было бы придумать какой-то способ, который облегчил бы подъем рояля, и лучше всего тут воспользоваться таким немудреным приспособлением, как пандус.
Веками различные наклонные плоскости — насыпи, трапы и пандусы — помогали решать подобные задачи. Наклонные плоскости позволяют приложить очень большую направленную вверх силу, необходимую для подъема каменных блоков и других тяжестей, поэтому их использовали еще строители пирамид. Чтобы понять, каким образом на наклонной плоскости возникают нужные силы, давайте продолжим рассматривать пример с роялем. И начнем с силы, которая действует на рояль, когда он просто стоит на некой поверхности. Мы по-прежнему не будем учитывать трение и сопротивление воздуха, иначе наша беседа заведет нас слишком далеко. К тому же у рояля есть колесики, и трение можно считать пренебрежимо малым.
Тротуар наносит ответный удар: третий закон Ньютона. Глядя на рояль, который стоит перед домом вашей подруги, вы вдруг замечаете нечто сенсационное: рояль не проваливается сквозь тротуар! Что это — вдруг исчезло земное притяжение? Вовсе нет: если вы начнете двигать рояль и ваша нога случайно попадет под колесико, вы получите до боли ясный ответ на этот вопрос. По-видимому, рояль по-прежнему сохраняет свой обычный вес. Однако что-то на поверхности тротуара не дает ему провалиться к центру Земли. Давайте проанализируем ситуацию подробнее.
Сперва отметим, что рояль, очевидно, сильно давит на тротуар. Именно по этой причине лучше не подставлять под него ноги. Однако сила, направленная вниз и действующая на тротуар, не объясняет, почему не падает рояль. Надо посмотреть, чем поверхность тротуара отвечает на давление со стороны рояля — оказывается, тротуар толкает рояль вверх! Вы заметите эту реакцию тротуара, если нагнетесь и надавите на него рукой — он будет твердо сопротивляться вашему движению. Эти две силы — направленная вниз, приложенная к тротуару со стороны руки, и направленная вверх, действующая на руку, — равны по величине и противоположны по направлению.
Не только тротуар и рука (или рояль) действуют друг на друга с противоположно направленными и равными по величине силами — это наблюдается всегда при взаимодействии двух тел. Если вы надавите на какой-нибудь предмет, он в ответ надавит на вас с той же силой, направленной в противоположную сторону. Это правило известно как третий закон Ньютона, последний из трех законов механики; обычно его формулируют так: для каждой силы существует равная по величине и противоположно направленная ответная сила.
Третий закон Ньютона. Для каждой силы, с которой одно тело действует на другое, существует равная по модулю и противоположная по направлению сила, приложенная к первому телу со стороны второго.
Этот закон выполняется на удивление строго. Если вы надавите на любой объект, большой или малый, твердый или мягкий, неподвижный или мчащийся со скоростью ракеты, вы обязательно почувствуете ответное действие точно такой же, но противоположной силы, которая точно так же давит на вашу руку.
В нашем случае тротуар и рояль действуют друг на друга с равными по модулю и противоположными по направлению силами. Лишь одна из этой пары сил приложена к роялю — направленная вверх сила, действующая со стороны тротуара. Она-то и не дает роялю провалиться сквозь землю. Вот мы и разгадали загадку.
Голос интуиции: действие и противодействие. Интуиция подсказывает, что, если нажать на тело, которое удаляется от вас, оно ответит более слабой силой, чем сила вашего давления. А если вы нажмете на тело, которое приближается к вам, сила его реакции будет больше силы вашего воздействия на него.
Физика утверждает, что, когда вы нажимаете на тело, оно в ответ нажимает на вашу руку с той же силой.
Вывод: Нажимать на тело, которое удаляется от вас, неудобно — естественно, вы нажимаете с меньшим усилием, чем могли бы. Небольшая сила, с которой удаляющееся тело давит на вашу руку, и в этом случае равна той небольшой силе, с которой вы нажимаете на него, но направлена в противоположную сторону. И наоборот — очень удобно с силой надавить на тело, которое движется к вам, поэтому вы нажимаете сильнее, чем собирались. И вновь большая сила, воздействие которой вы ощущаете, равна по модулю произведенной вами силе и противоположна ей по направлению.
Дата добавления: 2017-09-21; просмотров: 975;