Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

Лабораторная работа 104

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ДИНАМИКИ И КИНЕМАТИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАШИНЕ АТВУДА

Теория

Механика - это наука о простейших формах движения и силах, вызывающих это движение.

Механическим движением называется изменение с течением времени взаимного положения тел или частей тела друг относительно друга.

Развитие механики как науки начинается с 3 в. до н. э., когда древнегреческий ученый Архимед сформулировал закон равновесия рычага и законы равновесия плавающих тел. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астрономом Галилео Галилеем и окончательно сформулированы английским ученым Исааком Ньютоном.

Механика Галилея – Ньютона называется классической механикой. В ней изучаются законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме (3·108 м/с).

Механика делится на три раздела: кинематику, динамику и статику.

Кинематика - это раздел физики, который изучает движение тел вне зависимости от причин, вызывающих это движение.

Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение.

Статика изучает законы равновесия системы тел. Если известны законы движения тел, то из них можно установить и законы равновесия. Поэтому законы статики отдельно от законов динамики физика не рассматривает.

Механика для описания движения тел в зависимости от условий конкретных задач использует разные физические модели. Простейшей моделью является материальная точка. Под материальной точкой понимают любое тело, размерами и формой, которого можно пренебречь в данной задаче. Одно и тоже тело, в зависимости от постановки задачи может быть рассмотрено как материальное тело или материальная точка.

Произвольное макроскопическое тело или систему тел можно мысленно разбить на малые взаимодействующие между собой части, каждая из которых рассматривается как материальная точка. Тогда изучение движения произвольной системы тел сводится к изучению системы материальных точек. В механике сначала изучают движение одной материальной точки, а затем переходят к изучению движения системы материальных точек.

Под воздействием тел друг на друга тела могут деформироваться, то есть менять свою форму и размеры. Поэтому в механике вводится еще одна модель – абсолютно твердое тело. Абсолютно твердым телом называется тело, которое ни при каких условиях не может деформироваться и при всех условиях расстояние между двумя точками (или точнее между двумя частицами) этого тела остается постоянным.

Различают три вида механического движения тел – поступательное, вращательное и колебательное.

Поступательное движение – это движение, при котором любая прямая, жестко связанная с движущимся телом, остается параллельной своему первоначальному положению. При вращательном движении все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и той же прямой, называемой осью вращения. Колебательным движением называется процесс, при котором система, многократно отклоняясь от своего состояния равновесия, каждый раз вновь возвращается к нему.

Поступательное движение характеризуется векторами: перемещения, скорости и ускорения.

Линия, которую описывает материальная точка при движении, называют траекторией (рис. 1). Вне зависимости от формы траектории различают прямолинейное и криволинейное движение. Движение называется прямолинейным, если траектория прямая линия, и криволинейным, если траектория – кривая линия

Перемещение – это вектор , направленный из начального положения материальной точки в ее конечное положение – приращение радиуса вектора точки за рассматриваемый промежуток времени  

Путь  – это длина траектории от начального положения материальной точки до конечного. Путь - величина скалярная.

Под элементарным вектором перемещения точки понимают приращение радиуса-вектора этой точки за промежуток времени .

Радиус-вектор – это вектор, проведенный из начала системы координат, в которой изучается движение, в данную точку.

Для характеристики движения материальной точки вводится векторная величина – скорость, которой определяется как быстрота движения, так и его направление в данный момент времени.

Пусть материальная точка движется по какой-либо криволинейной траектории так, что в момент времени t ей соответствует радиус вектор . В течение малого промежутка времени Δt точка пройдет малый путь Δs и получит элементарное (бесконечно малое) перемещение .

Отношение пути, пройденного материальной точкой, к промежутку времени, за который этот путь пройден, называется средней скоростью движения:

 (1.3)

<v> - скалярная величина.

Вектором средней скорости  называется отношение приращения  радиуса вектора точки к промежутку времени Δt

(1.4).

Направление вектора средней скорости совпадает с направлением .

В общем случае криволинейного (и прямолинейного) движения средняя скорость может быть различной на разных участках траектории и зависеть от пути Δs, или, что то же, от промежутка времени Δt. Следовательно,  недостаточно полно характеризует движение. Поэтому вводят понятия мгновенной скорости (скорости в данный момент времени в данной точке пути). Будем бесконечно уменьшать промежуток времени, то есть предположим Δt→0. Тогда точка В стремится к точке А, хорда АВ – к дуге Δs и обе они в пределе совпадут с касательной АС. Таким образом, криволинейное движение по малой дуге Δs перейдет в прямолинейное движение по бесконечно малому отрезку касательной к траектории вблизи точки А, а средняя скорость на малом пути Δs перейдет в мгновенную скорость  в точке А, направленную по касательной к траектории. Таким образом, мгновенная скорость , есть векторная величина, равная первой производной радиуса-вектора движущейся точки по времени

(1.5).

При уменьшении Δt до предела Δs= модуль мгновенной скорости равен первой производной пути по времени

(1.6).

Из формул 1.5 и 1.6 следует, что скорость выражается в метрах в секунду.

Если направление вектора  точки не изменяется, то траектория точки – прямая линия. В случае криволинейного движения точки направление ее скорости непрерывно изменяется. При равномерном движении точки остается постоянным модуль скорости v , в то время как направление вектора  изменяется произвольным образом, а путь пройденный точкой за промежуток времени Δt равен

 (1.7).

В этом случае точка проходит за равные промежутки времени один и тот же путь. Если точка движется равномерно и прямолинейно со скоростью  вдоль оси ОХ, то зависимость ее координаты х от времени имеет вид:

 (1.8),

где х0 – значение х в начальный момент времени (t=0),

 vх – проекция скорости точки на ось ОХ.

Если модуль вектора скорости точки изменяется с течением времени, то такое движение точки называется неравномерным. Для характеристики быстроты изменения скорости  точки в механике вводится векторная физическая величина, называемая ускорением.

Пусть материальная точка переместилась за малый промежуток времени Δt из А, где она имела скорость , в В, где она имеет скорость . Изменение (приращение) скорости точки есть вектор , равный конечной и начальной скоростей:

(1.9).

Отношение изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло, называется средним ускорением 

 (1.10).

Из правила деления вектора на скаляр следует, что среднее ускорение направлено так же, как приращение скорости, то есть под углом к траектории в сторону ее вогнутости.

В общем случае среднее ускорение может быть различным на различных участках траектории. Оно зависит от промежутка времени, по которому проводится усреднение. Будем уменьшать промежуток времени. В пределе при Δt→0 точка В будет стремиться к точке А и среднее ускорение на пути АВ превратиться в мгновенное ускорение  в точке А

 (1.11).

Таким образом, мгновенное ускорение движения в любой точке - это вектор, направленный под углом к траектории в сторону ее вогнутости, определяемый как первая производная вектора скорости по времени или степень изменения скорости во времени. Математически ускорение- это вторая производная радиус-вектора по времени.

Из формул 1.10 и 1.11 следует, что ускорение выражается в метрах на секунду в квадрате (м/с2).

Вектор ускорения принято раскладывать на две составляющие, одна из которых направлена по касательной к траектории и называется касательным или тангенциальным ускорением , другая – по нормали к траектории и называется нормальным или центростремительным ускорением .

Тангенциальная составляющая ускорения равна первой производной по времени от модуля скорости, характеризует быстроту изменения скорости по модулю, направлена по касательной к траектории

 (1.12).

Нормальная составляющая ускорения характеризует быстроту изменения скорости по направлению и направлена к центру кривизны траектории

 (1.13).

Полное ускорение тела есть геометрическая сумма тангенциальной и нормальной составляющей

 (1.14),

численно равна

  (1.15).

В зависимости от тангенциальной и нормальной составляющих ускорения движение можно классифицировать следующим образом:

1) = 0, =0 – прямолинейное равномерное движение.

2) = а = const, .=0 – прямолинейное равнопеременное движение (равноускоренное, если  >0, и равнозамедленное, если  <0). При таком виде движения

  (1.16).

Если начальный момент времени t1 = 0, а начальная скорость v1 = v0, то обозначив t2 = t и v2 = v, получим a=(v-v0)/t, откуда

  (1.17).

Проинтегрировав эту формулу в пределах от нуля до произвольного момента времени t, найдем, что длина пути, пройденного точкой, в случае равнопеременного движения

  (1.18).

3)  = f(t), .=0 – прямолинейное движение с переменным ускорением – ускоренное движение;

4)  = 0, .= const. При  = 0 скорость по модулю не изменяется, а изменяется по направлению. Из формулы 1.13 () следует, что радиус кривизны должен быть постоянным. Следовательно, это есть равномерное движение по окружности;

5)  = 0, .≠0 – равномерное криволинейное движение;

6)  = const, . ≠0 – криволинейное равнопеременное движение;

7)  = f(t), . ≠0 – криволинейное движение с переменным ускорением.

Рассмотрим твердое тело, которое вращается вокруг неподвижной оси. Тогда отдельные точки этого тела будут описывать окружности разных радиусов, центры которых лежат на оси вращения. Пусть некоторая точка движется по окружности радиуса R. Ее положение через промежуток времени Δt зададим углом Δφ. Элементарные (бесконечно малые) повороты можно рассматривать как векторы (они обозначаются  или ). Модуль вектора  равен углу поворота, а его направление совпадает с направлением поступательного движения острия винта, головка которого вращается в направлении движения точки по окружности, то есть подчиняется правилу правого винта («правило буравчика»). Векторы, направления которых связываются с направлением вращения, называются псевдовекторами или аксиальными векторами. Эти векторы не имеют определенных точек приложения: они могут откладываться из любой точки оси вращения.

Отношение угла поворота к промежутку времени, за который этот поворот произошел называется угловой скоростью . Угловая скорость - векторная величина, равная первой производной угла поворота тела по времени:

  (1.19).

Вектор  направлен вдоль оси вращения по правилу правого винта, то есть так же, как и вектор . Единица измерения угловой скорости – радиан в секунду (рад/с).

Линейная скорость точки равна

  (1.20), то есть

  (1. 21).

В векторном виде формулу для линейной скорости можно написать как векторное произведение

  (1.22).

При этом модуль векторного произведения, по определению, равен , а направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от   к .

Если  = const, то вращение равномерное и его можно характеризовать периодом вращения Т – временем, за которое точка совершает один полный оборот, то есть поворачивается на угол 2π. Так как промежутку времени Δt=Т соответствует Δφ=2π, то ω= 2π/Т, откуда

Т= 2π/ ω

Единица измерения периода – секунда (с).

Число полных оборотов, совершаемых телом при равномерном его движении по окружности, в единицу времени называется частотой вращения n

n = 1/Т = ω/2π, откуда ω = 2πn

Единица измерения частоты – Герц (Гц) или с-1.

При неравномерном движении материальной точки по окружности вместе с линейной изменяется и угловая. Поэтому можно ввести понятие углового ускорения. Отношение изменения угловой скорости к промежутку времени, за который это изменение произошло, называется угловым ускорением . Угловое ускорение – это векторная величина, равная первой производной угловой скорости по времени:

  (1.24)

Единица измерения углового ускорения – радиан на секунду в квадрате (рад/с2).

При вращении тела вокруг неподвижной оси вектор углового ускорения направлен вдоль оси вращения в сторону вектора элементарного приращения угловой скорости. При ускоренном движении вектор  сонаправлен вектору , при замедленном – противонаправлен ему.

Тангенциальная составляющая ускорения (1.25), подставляя (1.21) получим  1.26

Нормальная составляющая ускорения

  1.27

Таким образом, связь между линейными (длина пути s, пройденного точкой по дуге окружности радиуса R, линейная скорость v, тангенциальное ускорение, нормальное ускорение ) и угловыми величинами (угол поворота φ, угловая скорость , угловое ускорение ) выражается следующими формулами: 

 ; ; ;  1.28

В случае равнопеременного движения точки по окружности (= const)

 ;  1.29,

где ω0 – начальная угловая скорость

Динамика – это раздел механики, который изучает движение совместно с причинами, вызывающими или изменяющими это движение. В основе динамики лежат три закона Исаака Ньютона, сформулированные им в 1687 г. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как и все физические законы) обобщением результатов огромного человеческого опыта. Их рассматривают как систему взаимосвязанных законов и опытной проверке подвергают не каждый отдельный закон, а всю систему в целом.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние. Первый закон Ньютона называют также законом инерции.

Инерция – явление сохранения скорости движения тела при отсутствии внешних воздействий. (Пример, при резком торможении автомобиля пассажир по инерции продолжает двигаться вперед с прежней скоростью).

Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Системы отсчета, относительно которых тело при отсутствии внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно называют инерциальными системами отсчета, то есть системы, где выполняется первый закон Ньютона.

Опытным путем установлено, что инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета (начало координат находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд).

Земля движется относительно Солнца и звезд по криволинейной траектории, имеющей форму эллипса. Криволинейное движение всегда происходит с некоторым ускорением. Кроме того, земля совершает вращение вокруг своей оси. По этим причинам система отсчета, связанная с земной поверхностью, движется с ускорением относительно гелиоцентрической системы отсчета и не является инерциальной. Однако ускорение такой системы настолько мало, что в большом числе случаев ее можно считать практически инерциальной.

Опыт показывает, что при одинаковом воздействии различные тела по-разному изменяют свою скорость. Следовательно, ускорение, приобретаемое телом, зависит не только от воздействия, но и от некоторого собственного свойства тела. Это свойство тела характеризуют физической величиной, называемой массой. Масса – физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (гравитационная масса) свойства. Единица измерения массы в системе СИ – килограмм.

Отмеченное в законе инерции «воздействие других тел» (как причина, изменяющая состояние данного тела) получило общее название силы, действующей на данное тело. Таким образом, сила – это векторная физическая величина, являющаяся мерой воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого, тело либо приобретает ускорение, либо деформируется. В каждый момент времени сила характеризуется числовым значением, направлением в пространстве и точкой приложения.

Второй закон Ньютона: Ускорение , приобретаемое телом под действием силы , прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально массе и направлено в сторону действия силы.

 (2.1)

Это есть основной закон динамики поступательного движения, который отвечает на вопрос, как изменяется механическое движение материальной точки (тела) под действием приложенных к ней сил.

Второй закон Ньютона можно переписать в виде

 (2.2)

Учитывая, что масса материальной точки в классической механике есть величина постоянная, в выражении 2.2 ее можно внести под знак производной:

 (2.3)

Векторная величина  (2.4),

численно равная произведению массы материальной точки на ее скорость и имеющая направление скорости, называется импульсом (количеством движения) этой материальной точки.

Подставляя 2.4 в 2.3, получим

 (2.5)

Это выражение – более общая формулировка второго закона Ньютона: скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе – уравнение движения материальной точки.

Единица силы в СИ – ньютон (Н): 1 Н – сила, которая массе 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы:

1 Н = 1 кг ∙ 1 м/с2.

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета.

В механике большое значение имеет принцип независимости действия сил: если на материальную точку действует одновременно несколько сил, то каждая из этих сил сообщает материальной точке ускорение согласно второму закону Ньютона, как будто других сил не было. Согласно этому принципу, силы и ускорения можно разлагать на составляющие, использование которых приводит к существенному упрощению решения задач.

Например на рисунке действующая сила  разложена на два компонента: тангенциальную силу  (направлена по касательной к траектории) и нормальную силу  (направлена по нормали к центру кривизны). Используя выражения  и , а также , можно записать:

;

.

Если на материальную точку действует одновременно несколько сил, то согласно принципу независимости действия сил, под  во втором законе Ньютона понимают результирующую силу.

Третий закон Ньютона (закон действия и противодействия): Два взаимодействующих тела действуют друг на друга с силами равными по значению и противоположными по направлению

,

где  - сила действующая на первое тело со стороны второго;  - сила, действующая на второе тело со стороны первого

Эти силы приложены к разным телам, всегда действуют парами и являются силами одной природы. Третий закон Ньютона выполняется только в инерциальных системах отсчета.

Для описания вращательного движения вводятся следующие динамические параметры: момент инерции, момент силы, момент импульса тела. Аналогами их в поступательном движении являются масса, сила, импульс тела.

Момент инерции.

Момент инерции материальной точки относительно какой-либо оси называется произведение массы этой точки на квадрат расстояния от ее оси:

Эта величина скалярная. Единица измерения - кг·м2. В динамике вращательного движения момент инерции играет ту же роль, что и масса в динамике поступательного движения; определяет величину углового ускорения, получаемого телом под действием данного момента силы.

Момент инерции системы (тела) относительно данной оси называется физическая величина, равная сумме произведений масс n материальных точек системы на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси:

В случае непрерывного распределения масс эта сумма сводится к интегралу

,

где интегрирование производится по всему объему тела. Величина r в этом случае есть функция положения точки с координатами x, y, z.

В качестве примера найдем момент инерции однородного сплошного цилиндра высотой h и радиусом R относительно его геометрической оси. Разобьем цилиндр на отдельные полые концентрические цилиндры бесконечно малой толщины dr с внутренним радиусом r и внешним r+dr. Момент инерции каждого полого цилиндра  (так как , то считаем, что расстояние всех точек цилиндра от оси равно r), где dm – масса всего элементарного цилиндра; его объем . Если ρ – плотность материала, то и . Тогда момент инерции сплошного цилиндра

,

но так как  - объем цилиндра, то его масса , а момент инерции

.

Если известен момент инерции тела относительно оси, проходящей через его центр масс, то момент инерции относительно любой другой параллельной оси определяется теоремой Штейнера: момент инерции тела J относительно произвольной оси равен моменту его инерции JC относительно параллельной оси, проходящей через центр масс С тела, сложенному с произведением массы m тела на квадрат расстоянии а между осями:

В заключение приведем значения моментов инерции для некоторых тел (тела считаются однородными, m – масса тела).

Тело

Положение оси

Момент инерции

Полый тонкостенный цилиндр радиусом R

Ось симметрии

Сплошной цилиндр или диск радиусом R

Ось симметрии

Прямой тонкий стержень длиной l

Ось перпендикулярна стержню и проходит через его середину

Прямой тонкий стержень длиной l

Ось перпендикулярна стержню и проходит через его конец

Шар радиусом R

Ось проходит через центр шара

Кинетическая энергия вращения

Рассмотрим абсолютно твердое тело (абсолютно твердое тело – тело, которое ни при каких условиях не может деформироваться и при всех условиях расстояние между двумя точками (или вернее между двумя частицами) этого тела остается постоянным.), вращающееся около неподвижной оси, проходящей через него. Мысленно разобьем это тело на маленькие объемы с элементарными массами m1, m2,…, mn, находящиеся на расстоянии r1, r2, …, rn от оси.

При вращении твердого тела относительно неподвижной оси отдельные его элементарные объемы массами mi опишут окружности различных радиусов ri и имеют различные линейные скорости vi. Но так как мы рассматриваем абсолютно твердое тело, то угловая скорость вращения этих объемов одинакова:

Кинетическую энергию вращающегося тела найдем как сумму кинетических энергий его элементарных объемов:

или

Используя выражение , получаем

,

Таким образом, кинетическая энергия вращающегося тела

Если сравнить формулы  и  для кинетической энергии тела движущегося поступательно, следует, что момент инерции – мера инертности тела при вращательном движении. Выведенная формула  справедлива для тела, вращающегося вокруг неподвижной оси.

В случае плоского движения тела, например, цилиндра скатывающегося с наклонной плоскости без скольжения, или движение маятника Максвелла (лабораторная работа 109), энергия движения складывается из энергии поступательного движения и энергии вращения:

,

где m - масса катящегося тела;

 vC – скорость центра масс тела;

 JC – момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр его масс;

 ω – угловая скорость тела.

Момент силы

Моментом силы относительно неподвижной точки О называется физическая величина, определяемая векторным произведением радиуса-вектора  , проведенного из точки О в точку А приложения силы, на силу :

Здесь  - псевдовектор, его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от  к .

Модуль момента силы

где α – угол между  и ;

- кратчайшее расстояние между линией действия силы и точкой О – плечо силы.

Найдем выражение для работы при вращении тела. Пусть сила  приложена в точке В, находящейся от оси z на расстоянии r, α – угол между направлением силы и радиусом-вектором . Так как тело абсолютно твердое, то работа этой силы равна работе, затраченной на поворот всего тела. При повороте тела на бесконечно малый угол dφ точка приложения В проходит путь  и работа равна произведению проекции силы на направление смещения на величину смещения:

Учитывая , можем записать

,

где  - момент силы относительно неподвижной оси. Таким образом, работа при вращении тела равна произведению момента действующей силы на угол поворота.

Работа при вращении тела идет на увеличении его кинетической энергии: , но , поэтому , или .

Учитывая, что , получаем

.

Это уравнение представляет собой уравнение динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси.

Момент импульса и закон его сохранения

При сравнении законов вращательного и поступательного движений просматривается аналогия между ними, только во вращательном движении вместо силы «выступает» ее момент, роль массы «играет» момент инерции. Какая же величина будет аналогом импульса тела? Ею является момент импульса тела относительно оси.

Моментом импульса (количества движения) материальной точки А относительно неподвижной точки О называется физическая величина, определяемая векторным произведением:

,

где  - радиус-вектор, проведенный из точки О в точку А;

 - импульс материальной точки;

 - псевдовектор, его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от  к .

Модуль вектора момента импульса

,

где α – угол между векторами  и , l – плечо вектора  относительно точки О.

При вращении абсолютно твердого тела вокруг неподвижной оси каждая отдельная точка тела движется по окружности постоянного радиуса ri с некоторой скоростью . Скорость   и импульс  перпендикулярны этому радиусу, то есть радиус является плечом вектора . Поэтому можем записать, что момент импульса отдельной частицы равен

и направлен по оси в сторону, определяемую правилом правого винта.

Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульсов отдельных частиц:

.

Используя формулу , получим

то есть

Таким образом, момент импульса твердого тела относительно оси равен произведению момента инерции тела относительно той же оси на угловую скорость.

Продифференцируем уравнение  по времени:

,

то есть

Это выражение – еще одна форма уравнения динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси: производная момента импульса твердого тела относительно оси равна моменту сил относительно той же оси. Скорость изменения момента импульса тела равна результирующему моменту всех внешних сил.

Можно показать, что имеет место векторное равенство

.

В замкнутой системе момент внешних сил  и , откуда

.

Это выражение представляет собой закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени.

Закон сохранения момента импульса – фундаментальный закон природы. Он связан со свойством симметрии пространства – его изотропностью, то есть инвариантностью физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).

Продемонстрировать закон сохранения момента импульса можно с помощью скамьи Жуковского. Пусть человек, сидящий на скамье, которая без трения вращается вокруг вертикальной оси, и держащий в вытянутых руках гантели, приведен во вращение с угловой скоростью ω1. Если человек прижмет гантели к себе, то момент инерции уменьшится. Поскольку момент внешних сил равен нулю, момент импульса системы сохраняется и угловая скорость вращения ω2 возрастает. Аналогичной, гимнаст во время прыжка через голову поджимает к туловищу руки и ноги, чтобы уменьшить свой момент инерции и увеличить тем самым угловую скорость вращения.

Сопоставим основные величины и уравнения, определяющие вращение тела вокруг неподвижной оси и его поступательное движение.

Поступательное движение

Вращательное движение

Масса m

Момент инерции

Скорость

Угловая скорость

Ускорение

Угловое ускорение

Сила

Момент силы

Импульс

Момент импульса

Основное уравнение динамики

Основное уравнение динамики

Работа

Работа

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия 

Лабораторная работа № 2-5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДЫ

Цель работы: ознакомиться с понятием поверхностного натяжения жидкостей и двумя методами измерения коэффициента поверхностного натяжения.

Оборудование: а) торсионные весы, кольцо на подвеске, делительная воронка, стаканчик; б) мерная бюретка с воронкой, сосуд с жидкостью, микроскоп, термометр.

Введение

Широкое распространение в мире наряду с силами тяготения, упругости, трения получили силы поверхностного натяжения. В природе известно три агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное. Жидкость занимает промежуточное положение между твердым и газообразным состоянием. По мере развития представления о строении вещества было выяснено, что между молекулами вещества одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. На рис. 1, а приведена качественная характеристика межмолекулярного взаимодействия от расстояния между молекулами. Силы отталкивания –  положительны, а силы взаимного притяжения – отрицательны.

Существует такое расстояние между молекулами , на котором силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга. Таким образом, расстояние  соответствует равновесному расстоянию между молекулами, на котором бы они находились в отсутствии теплового движения. При  преобладают силы притяжения (F<0), а при  – силы отталкивания (F>0). На расстояниях r >10–9м межмолекулярные силы практически отсутствуют. Элементарная работа  силы при изменении расстояния между молекулами на  совершается за счет взаимной потенциальной энергии молекул

.

На рис. 1, б приведена качественная зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними. Из данной  кривой следует, что при  взаимодействующие молекулы обладают минимальной потенциальной энергией.

Поверхностное натяжение жидкости обусловлено действием молекулярных сил притяжения, быстро убывающих с расстоянием, которое (порядка 10–9 м) называется радиусом молекулярного действия R, а сфера радиуса R – сферой молекулярного действия.

Рассмотрим выделенную внутри жидкости молекулу А (рис. 2). На расстоянии R на молекулу действуют соседние молекулы, входящие в сферу молекулярного действия. Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулу А, направлены в разные стороны, поэтому результирующая сила внутри жидкости равна нулю. Однако в поверхностном  слое – молекула      В – равновесие нарушается, так как сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. На молекулу действует сила притяжения со стороны жидкости и пара. Равнодействующая сила  не равна нулю и направлена внутрь жидкости, потому что концентрация молекул в газе мала по сравнению с концентрацией в жидкости. Этим объясняется происхождение внутреннего давления поверхностного слоя на жидкость и стремление поверхности жидкости уменьшить свою площадь.

Переход молекул из глубины жидкости в ее поверхностный слой возможен только при совершении работы против молекулярных сил. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул жидкости и приводит к увеличению потенциальной энергии молекул поверхностного слоя. Поэтому молекулы, находящиеся в поверхностном слое, обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия Е, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называется поверхностной энергией и пропорциональна площади слоя S

Е = σS.                                                     (1)

Коэффициент пропорциональности σ между поверхностной энергией и площадью поверхности называется коэффициентом поверхностного натяжения. Величина его зависит от рода обеих сред, образующих поверхность, и от температуры.

Равновесное состояние жидкости () характеризуется минимумом потенциальной энергии, складывающейся из поверхностной и потенциальной энергий в поле тяжести. В связи с этим жидкость при отсутствии внешних сил будет стремиться при заданном объеме сократить свою поверхность до минимума и принимать шарообразную форму. Выделим часть поверхности жидкости, ограниченную замкнутым контуром (рис. 3). Под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости сокращается, и рассматриваемый контур переместится в новое положение. Эти силы направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно к участкам контура, на котором они действуют. При перемещении выделенного участка  на расстояние  под действием силы F поверхностного натяжения совершается работа  за счет уменьшения поверхностной энергии

                ,                                                                                 

отсюда следует, что сила поверхностного натяжения

                ,                                                                            

так как по формуле (1) , то

                ,                                                                                (2)

где знак «минус» указывает на то, что сила направлена в сторону, противоположную смещению . Анализируя полученные формулы (1) и (2), установили, что коэффициент поверхностного натяжения  представляет собой и энергетическую, и силовую характеристику поверхностного натяжения жидкостей: он является поверхностной энергией, которой обладает единичная площадь поверхности, и в то же время является силой поверхностного натяжения, которая действует на контур единичной длины.


Изучение цепи переменного тока