Уравнения движения тела под силы тяжести

Движение под действием силы тяжести

Подбросим мяч вертикально вверх. Он поднимется на какую-то высоту, после чего упадет вниз.

Земля притягивает мяч, значит на мяч действует нескомпенсированная сила притяжения. Как гласит второй закон Ньютона, скорость мяча из-за этого меняется.

Движение тела под действием силы тяжести, называется свободным падением. Когда тело падает свободно, оно испытывает невесомость.

Для удобства будем рассматривать отдельно свободное движение мяча вверх и, его свободное падение вниз.

Движение вверх

Рассмотрим рисунок 1. В левой части рисунка — 1а) изображено движение мяча вверх, а в правой – 1б) – движение вниз. Сплошным кружком обозначено начальное положение мяча, а пунктирным – конечное. Красными стрелками обозначена скорость мяча на различных высотах.

При движении вверх скорость тела уменьшается, так как вектор ускорения и вектор скорости направлены в противоположные стороны (рис. 1а). Движение вверх равнозамедленное.

Выражение для скорости при движении мяча вверх:

Вертикальное перемещение мяча при его движении вверх выражается такой формулой:

В верхней точке траектории скорость мяча будет равна нулю. Эта точка для движения вверх будет конечной, а для движения вниз – начальной.

Поэтому, для движения вверх нулю равна конечная скорость мяча \(v_=0\), а для движения вниз – его начальная скорость \(v_<0y>=0\).

Движение вниз

При движении вниз – наоборот, скорость будет увеличиваться, так как векторы скорости и ускорения сонаправлены (рис. 1б). Движение вниз равноускоренное.

Выражение для скорости при движении мяча вниз:

Вертикальное перемещение при движении вниз выражается формулой:

Таким образом, под действием силы тяжести мяч движется по вертикали, меняя свою скорость.

Пока мяч находится в полете, он не давит на опору и не растягивает подвес. Проще говоря, он находится в невесомости (ссылка) – то есть, не имеет веса.

Масса есть всегда, а вес тела (ссылка) может отсутствовать! Кроме того, одна и та же масса в различных ситуациях может обладать разным весом.

Из рисунка 1 так же, следует, что

если тело при падении вернется на уровень, с которого оно стартовало, то:

— скорость, с которой мы подбросим тело, по модулю будет равна скорости, с которой тело упадет \( \large \left|\vec> \right|= \left|\vec> \right|\) ;

— время подъема равняется времени спуска \( \large t_<\text<вверх>> = t_<\text<вниз>> \);

Когда перемещение вверх не равно перемещению вниз

Рассмотрим теперь следующий рисунок. На рисунке 2а представлен случай, когда путь, пройденный вверх больше пути, пройденного при движении вниз. Предположим, мы подбросили мяч вертикально вверх и, он упал на крышу какого-то строения, например, гаража.

В таком случае на подъем потребуется больше времени, чем на спуск

И скорость, с которой мяч подбрасывали вверх будет больше скорости, с которой мяч ударится о крышу

На рисунке 2б путь при движении вверх меньше пути вниз. Такое может быть, если мы заберемся на крышу гаража и, находясь на крыше, подбросим мяч вертикально вверх.

Теперь на спуск мяча до земли потребуется больше времени, чем на подъем

Движение тела под действием силы тяжести: определение, формулы

Движение тела под действием силы тяжести является одной из центральных тем в динамической физике. О том, что раздел динамики базируется на трех законах Ньютона, знает даже обычный школьник. Давайте постараемся разобрать эту тему досконально, а статья, подробно описывающая каждый пример, поможет нам сделать изучение движения тела под действием силы тяжести максимально полезным.

Немного истории

Испокон веков люди с любопытством наблюдали за различными явлениями, происходящими в нашей жизни. Человечество долгое время не могло понять принципы и устройство многих систем, однако длительный путь изучения окружающего мира привел наших предков к научному перевороту. В наши дни, когда технологии развиваются с неимоверной скоростью, люди почти не задумываются о том, каким образом работают те или иные механизмы.

А между тем наши предки всегда интересовались загадками природных процессов и устройством мира, искали ответы на самые сложные вопросы и не переставали изучать, пока не находили на них ответы. Так, например, известный ученый Галилео Галилей еще в 16 веке задался вопросами: «Почему тела всегда падают вниз, какая же сила притягивает их к земле?» В 1589 году он поставил ряд опытов, результаты которых оказались весьма ценными. Он подробно изучал закономерности свободного падения различных тел, сбрасывая предметы со знаменитой башни в городе Пизе. Законы, которые он вывел, были улучшены и более детально описаны формулами еще одним известным английским ученым — сэром Исааком Ньютоном. Именно ему принадлежат три закона, на которых основана практически вся современная физика.

Тот факт, что закономерности движения тел, описанные более 500 лет назад, актуальны и по сей день, означает, что наша планета подчиняется неизменным законам. Современному человеку необходимо хотя бы поверхностно изучить основные принципы обустройства мира.

Основные и вспомогательные понятия динамики

Для того чтобы полностью понять принципы подобного движения, следует сначала ознакомиться с некоторыми понятиями. Итак, самые необходимые теоретические термины:

• Взаимодействие — это воздействие тел друг на друга, при котором происходит изменение или начало их движения относительно друг друга. Различают четыре вида взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное.
• Скорость — это физическая величина, обозначающая быстроту, с которой двигается тело. Скорость является вектором, то есть имеет не только значение, но также и направление.
• Ускорение — та величина, которая показывает нам быстроту изменения скорости тела в промежуток времени. Она также является векторной величиной.
• Траектория пути — это кривая, а иногда — прямая линия, которую очерчивает тело при движении. При равномерном прямолинейном движении траектория может совпадать со значением перемещения.
• Путь — это длина траектории, то есть ровно столько, сколько прошло тело за определенное количество времени.
• Инерциальная система отсчета — это среда, в которой выполняется первый закон Ньютона, то есть тело сохраняет свою инерцию, при условии, что полностью отсутствуют все внешние силы.

Вышеуказанных понятий вполне достаточно для того, чтобы грамотно начертить или представить в голове моделирование движения тела под действием силы тяжести.

Что значит сила?

Давайте перейдем к основному понятию нашей темы. Итак, сила — это величина, смысл которой заключается в воздействии или влиянии одного тела на другое количественно. А сила тяжести — это та сила, которая действует абсолютно на каждое тело, находящееся на поверхности или вблизи нашей планеты. Возникает вопрос: откуда же берется эта самая сила? Ответ заключается в законе всемирного тяготения.

А что такое сила тяжести?

На любое тело со стороны Земли оказывает влияние гравитационная сила, которая сообщает ему некоторое ускорение. Сила тяжести всегда имеет вертикальное направление вниз, к центру планеты. Иначе говоря, сила тяжести притягивает предметы к Земле, вот почему предметы всегда падают вниз. Получается, что сила тяжести — это частный случай силы всемирного тяготения. Ньютон вывел одну из главных формул для нахождения силы притяжение между двумя телами. Выглядит она таким образом: F = G * (m₁ х m₂) / R 2 .

Чему равно ускорение свободного падения?

Тело, которое отпустили с некоторой высоты, всегда летит вниз под действием силы притяжения. Движение тела под действием силы тяжести вертикально вверх и вниз можно описать уравнениями, где основной константой будет являться значение ускорения «g». Эта величина обусловлена исключительно действием силы притяжения, и ее значение приблизительно равно 9,8 м/с 2 . Получается, что тело, брошенное с высоты без начальной скорости, будет двигаться вниз с ускорением равным значению «g».

Движение тела под действием силы тяжести: формулы для решения задач

Основная формула нахождения силы тяжести выглядит следующим образом: F_{тяжести} = m х g, где m — это масса тела, на которое действует сила, а «g» — ускорение свободного падения (для упрощения задач его принято считать равным 10 м/с 2 ).

Есть еще несколько формул, используемых для нахождения того или иного неизвестного при свободном движении тела. Так, например, для того чтобы вычислить пройденный телом путь, необходимо подставить известные значения в эту формулу: S = V₀ х t + a х t 2 / 2 (путь равен сумме произведений начальной скорости умноженной на время и ускорения на квадрат времени, деленной на 2).

Уравнения для описания вертикального движения тела

Движение тела под действием силы тяжести по вертикали можно описать уравнением, которое выглядит так: x = x₀ + v₀ х t + a х t 2 / 2. Используя данное выражение, можно найти координаты тела в известный момент времени. Необходимо просто подставить известные в задаче величины: начальное местоположение, начальную скорость (если тело не просто отпустили, а толкнули с некоторой силой) и ускорение, в нашем случае оно будет равно ускорению g.

Таким же образом можно найти и скорость тела, которое движется под действием силы притяжения. Выражение для нахождения неизвестной величины в любой момент времени: v = v₀ + g х t (значение начальной скорости может быть равным нулю, тогда скорость будет равна произведению ускорения свободного падения на значение времени, за которое тело совершает движение).

Движение тел под действием силы тяжести: задачи и способы их решений

При решении многих задач, связанных с силой тяжести, рекомендуем воспользоваться следующим планом:

1. Определить для себя удобную инерциальную систему отсчета, обычно принято выбирать Землю, потому как она отвечает многим требованиям к ИСО.
2. Нарисовать небольшой чертеж или рисунок, на котором изображены основные силы, действующие на тело. Движение тела под действием силы тяжести подразумевает набросок или схему, на которой указано, в каком направлении движется тело, если на него действует ускорение, равное g.
3. Затем следует выбрать направление для проецирования сил и полученных ускорений.
4. Записать неизвестные величины и определить их направление.
5. И наконец, используя указанные выше формулы для решения задач, вычислить все неизвестные величины, подставив данные в уравнения для нахождения ускорения или пройденного пути.

Готовое решение легкой задачи

Когда речь идет о таком явлении, как движение тела под действием силы тяжести, определение того, каким способом практичнее решать поставленную задачу, может быть затруднительным. Однако есть несколько хитростей, используя которые, можно с легкостью решить даже самое сложное задание. Итак, разберем на живых примерах, как следует решать ту или иную задачу. Начнем с легкой для понимания задачи.

Некоторое тело отпустили с высоты 20 м без начальной скорости. Определить, за какое количество времени оно достигнет поверхности земли.

Решение: нам известен путь, пройденный телом, известно, что начальная скорость была равна 0. Также можем определить, что на тело действует только сила тяжести, получается, что это движение тела под действием силы тяжести, и поэтому следует воспользоваться этой формулой: S = V₀ х t + a х t 2 /2. Так как в нашем случае a = g, то после некоторых преобразований получаем следующее уравнение: S = g х t 2 / 2. Теперь осталось только выразить время через эту формулу, получаем, что t 2 = 2S / g. Подставим известные величины (при этом считаем, что g = 10 м/с 2 ) t 2 = 2 х 20 / 10 = 4. Следовательно, t = 2 с.

Итак, наш ответ: тело упадет на землю за 2 секунды.

Трюк, позволяющий быстро решить задачу, состоит в следующем: можно заметить, что описанное движение тела в приведенной задаче происходит в одном направлении (вертикально вниз). Оно весьма схоже с равноускоренным движением, так как на тело не действует никакая сила, кроме силы тяжести (силой сопротивления воздуха пренебрегаем). Благодаря этому можно воспользоваться легкой формулой для нахождения пути при равноускоренном движении, минуя изображения чертежей с расстановкой действующих на тело сил.

Пример решения более сложной задачи

А теперь давайте посмотрим, как лучше решать задачи на движение тела под действием силы тяжести, если тело движется не вертикально, а имеет более сложный характер перемещения.

Например, следующая задача. Некоторый предмет массой m движется с неизвестным ускорением вниз по наклонной плоскости, коэффициент трения которой равен k. Определить значение ускорения, которое имеется при движении данного тела, если угол наклона α известен.

Решение: Следует воспользоваться планом, который описан выше. В первую очередь начертить рисунок наклонной плоскости с изображением тела и всех действующих на него сил. Получится, что на него действуют три составляющие: сила тяжести, трения и сила реакции опоры. Выглядит общее уравнение равнодействующих сил так: F_трения + N + mg = ma.

Главной изюминкой задачи является условие наклонности под углом α. При проецировании сил на ось ox и ось oy необходимо учесть данное условие, тогда у нас получится следующее выражение: mg х sin α — F_трения = ma (для оси ох) и N — mg х cos α = F_трения (для оси oy).

F_трения легко вычислить по формуле нахождения силы трения, она равна k х mg (коэффициент трения, умноженный на произведение массы тела и ускорения свободного падения). После всех вычислений остается только подставить найденные значения в формулу, получится упрощенное уравнение для вычисления ускорения, с которым движется тело вдоль наклонной плоскости.

mozok.click

Движение тела под действием силы тяжести

Траектория движения мяча, брошенного вертикально вверх или вниз, — прямая. После горизонтального броска баскетболиста мяч движется по криволинейной траектории. Также по криволинейной траектории движется и мяч, брошенный под углом к горизонту гимнасткой во время выступления. Все описанные движения происходят только под действием силы тяжести, то есть являются свободным падением. Почему же отличаются траектории? Причина — в разных начальных условиях (рис. 34.1).

Рис. 34.1. Траектория движения тела под действием силы тяжести зависит от направления начальной скорости: тело, брошенное вертикально, движется по прямолинейной траектории (а); траектория движения тела, брошенного горизонтально (б) или под углом к горизонту (е), — параболическая

принимаем ряд упрощений

Характер движения тела в поле тяжести Земли довольно сложен, и его описание выходит за рамки школьной программы. Поэтому примем ряд упрощений:

• систему отсчета, связанную с точкой на поверхности Земли, будем считать инерциальной;

• будем рассматривать перемещение тел вблизи поверхности Земли, то есть на небольшой (по сравнению с радиусом Земли) высоте. Тогда кривизной поверхности Земли можно пренебречь, а ускорение свободного падения можно считать неизменным:

• не будем учитывать сопротивление воздуха.

Обратите внимание:если принять только первые два упрощения, полученный результат будет очень близок к реальному; последнее же упрощение не дает серьезной погрешности только в случаях, когда тела тяжелые, небольшие по размерам, а скорость их движения достаточно мала. Именно такие тела будем рассматривать далее.

Изучаем движение тела, брошенного вертикально

Наблюдая за движением небольших тяжелых тел, которые брошены вертикально вниз или вертикально вверх или падают без начальной скорости, заметим, что траектория движения таких тел — отрезки прямой (см. рис. 34.1, а). К тому же мы знаем, что эти тела движутся с неизменным ускорением.

Движение тела, брошенного вертикально вверх или вниз, — это равноускоренное прямолинейное движение с ускорением, равным ускорению свободного падения: а = g .

Чтобы математически описать движение тела, брошенного вертикально вверх или вниз (свободное падение тела), воспользуемся формулами зависимости скорости, перемещения и координаты от времени для равноускоренного прямолинейного движения.

Подойдем к записи формул, описывающих свободное падение, «технически».

1. Когда описывают движение тела по вертикали, то векторы скорости, ускорения и перемещения традиционно проектируют на ось OY, поэтому в уравнениях движения заменим х на у.

2. Перемещение тела по вертикали обычно обозначают символом h (высота), поэтому заменим s на h.

3. Для всех тел, движущихся только под действием силы тяжести, ускорение равно ускорению свободного падения, поэтому заменим а на g.

Учитывая эти замены, получим уравнения, которыми описывают движение свободно падающего тела:

Равноускоренное движение вдоль оси OX

Свободное падение вдоль оси OY

Уравнение зависимости проекции скорости от времени

Уравнение зависимости проекции перемещения от времени

Формула, выражающая геометрический смысл перемещения

Формула для расчета проекции перемещения, если неизвестно время движения тела

Задача 1. Воздушный шар равномерно поднимается со скоростью 2 м/с. На высоте 7 м от поверхности земли с него упало небольшое тяжелое тело. Через какой интервал времени тело упадет на землю? Какой будет скорость движения тела в момент падения? Падение тела считайте свободным.

Анализ физической проблемы. Выполним пояснительный рисунок (рис. 1). Ось OY направим вертикально вниз. Начало координат совместим с положением тела в момент начала падения.

Тело упало с равномерно поднимавшегося шара, поэтому в момент начала падения скорость движения тела была равна скорости движения шара и направлена вертикально вверх.

Задача 2. Из точек A и B, расположенных на одной вертикали на расстоянии 105 м друг от друга (см. рис. 2), бросили с одинаковой скоростью 10 м/с два тела. Тело 1 бросили из точки A вертикально вниз, а через 1 с из точки B бросили вертикально вверх тело 2. На каком расстоянии от точки A тела встретятся?

Анализ физической проблемы. Оба тела движутся прямолинейно с ускорением a = g. В момент встречи координаты тел будут одинаковы: y_l = y₂. Следовательно, для решения задачи нужно записать уравнение координаты для каждого тела.

Договоримся, что начало координат совпадает с положением тела 2 (₀₂ = 0 , тогда начальная координата тела 1 —

105 м (y₀₁ = 105 м). Время движения тела 2 на 1 с меньше времени движения тела 1, то есть t₂ = t₁ — 1с.

Поиск математической модели, решение. Запишем уравнение координаты в общем виде и конкретизируем его для каждого тела:

Рис. 34.2. Струя воды, вытекающая из горизонтально расположенной трубки, падает на землю по параболической траектории, кривизна которой зависит от начальной скорости движения частиц воды

Рис. 34.3. Движение тела, брошенного горизонтально, складывается из двух движений: равномерного — вдоль оси OX со скоростью v₀; равноускоренного — вдоль оси OY без начальной скорости и с ускорением g

Докажите математически, что траектория движения тела, брошенного горизонтально, — параболическая, получив зависимость y(x) для такого движения.

Рассматриваем движение тела, брошенного горизонтально

Рассматривая падение горизонтально направленной струи воды, обнаружим, что траектория движения частиц воды — часть параболы (рис. 34.2). Частью параболы будут и траектория движения тенисного мяча, если ему придать горизонтальную скорость, и траектория брошенного горизонтально камешка и т. д.

Рассмотрим движение тела, брошенного горизонтально, как результат сложения двух движений (рис. 34.3): 1) равномерного — вдоль оси OX, поскольку на тело вдоль этой оси не действует никакая сила (проекция силы тяжести на ось OX равна нулю); 2) равноускоренного (с ускорением g) — вдоль оси OY, поскольку вдоль оси OY на тело действует сила тяжести.

Вдоль оси OX тело движется равномерно, поэтому скорость v_x движения тела неизменна и равна начальной скорости v₀, а дальность l полета тела за время t равна произведению начальной скорости v₀ и времени t движения тела:

Вдоль оси OY тело свободно падает, поэтому скорость его движения и высоту падения определим по формулам:

Модуль скорости движения тела в произвольной точке траектории вычислим, воспользовавшись

Задача 3. С отвесной скалы высотой 20 м в море горизонтально бросили камень. С какой скоростью бросили камень, если он упал в воду на расстоянии 16 м от скалы? Какова скорость движения камня в момент падения в море? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Анализ физической проблемы. Начальная скорость движения камня направлена горизонтально. Камень свободно падает. Значит, движение тела вдоль оси OX — равномерное, а вдоль оси OY — равноускоренное, без начальной скорости, с ускорением g.

1. Какие упрощения мы принимаем, решая задачи на движение тел под действием силы тяжести? 2. Запишите уравнение движения тела под действием силы тяжести в общем виде. 3. Какова траектория движения тела, брошенного вертикально? горизонтально? 4. Как для тела, брошенного горизонтально, определить дальность полета? высоту падения? скорость движения?

Выполняя задания, считайте, что сопротивление воздуха отсутствует.

1. Первое тело бросили вертикально вверх, второе — вертикально вниз, третье отпустили. Какое тело движется с наибольшим ускорением?

2. Тело движется только под действием силы тяжести. Система координат выбрана так, что ось ОХ направлена горизонтально, ось DY — вертикально вверх. Опишите, выполнив пояснительный рисунок, характер движения тела, если:

3. Мяч бросили с поверхности земли вертикально вверх с начальной скоростью 20 м/с. Определите: а) скорость движения и перемещение мяча через 3 с после начала движения; б) время подъема и максимальную высоту подъема мяча.

4. С крыши дома на высоте 45 м выпущена горизонтально стрела с начальной скоростью 20 м/с. Через какой интервал времени стрела упадет на землю? Какими будут дальность полета и перемещение стрелы?

5. Два шарика расположены на одной вертикали на расстоянии 10 м друг от друга. Одновременно верхний шарик бросают вертикально вниз с начальной скоростью 25 м/с, а нижний просто отпускают. Через какое время шарики столкнутся?

6. На рисунке указаны положения шарика через каждую 0,1 с движения. Определите ускорение свободного падения, если сторона каждого квадрата сетки — 5 см.

7. От сосульки на крыше оторвалась капля. Какой путь преодолеет капля за четвертую секунду после момента отрыва?

8. Самостоятельно рассмотрите движение тела, брошенного под углом к горизонту, и получите уравнения, которыми описывается это движение.

9. Установите соответствие между силой и формулой для ее определения.

Положите на край стола небольшое тяжелое тело и толкните его. Пользуясь только линейкой, попробуйте определить скорость, которую вы придали телу.

Физика и техника в Украине

Абрам федорович Иоффе (1880-1960) — выдающийся украинский советский физик, академик, научный организатор, который вошел в историю как «отец советской физики», «папа Иоффе».

Основные научные достижения А. Ф. Иоффе связаны с изучением электрических, фотоэлектрических и механических свойств кристаллов. Он первым выдвинул гипотезу о том, что полупроводники могут обеспечить эффективное преобразование энергии излучения в электрическую энергию (по этому принципу сегодня развивается солнечная энергетика). А. Ф. Иоффе параллельно с Р. Милликеном впервые определил заряд электрона. Инициировал создание физико-технических институтов, в частности в Харькове и Днепре, создал всемирно известную научную школу.

Под руководством А. Ф. Иоффе работали будущие Нобелевские лауреаты П. Л. Капица, Н. Н. Семенов, Л. Д. Ландау, И. Е. Тамм, а также выдающиеся ученые, которые внесли значительный вклад в мировую науку: А. И. Алиханов, Л. А. Арцимович, М. П. Бронштейн, Я. Б. Зельдович, И. К. Кикоин, Б. Г. Константинов, И. В. Курчатов, Ю. Б. Харитон и многие другие.

В 1960 г. имя А. Ф. Иоффе присвоено Физико-техническому институту в Ленинграде (сейчас Санкт-Петербург), в честь ученого названы кратер на Луне, малая планета Солнечной системы 5222, улица в Берлине (Германия).