Transcript lnotes5.ppt
כוח ותנועה I
ב – 4.4.74הצליח הבלגי
ג’ון מאסיס להזיז שני
קרונות נוסעים .הוא עשה
זאת ע"י נעיצת שיניו בחבל
שנקשר לקרונות ומשיכתו.
מסת הקרונות היא בערך 80
טון!
האם נאלץ להשתמש בכוח על – אנושי כדי לבצע זאת?
עד עתה דנו בבעיות של תנועה ולא בגורמים לתנועה .במיוחד ,כאשר דנו
בגופים מואצים לא טפלנו בבעיה של מה גורם להשתנות המהירות .מתוך
שכל ישר אנו מסיקים שמשהו בסביבה גרם לגוף לשנות את גודל או כיוון
מהירותו .למשהו הזה קוראים כוח.
הראשון שדן בקשר בין התאוצה והכוח היה ניוטון וחלק המכניקה העוסק
בכך קרוי מכניקה ניוטונית.
מכניקה ניוטונית אינה תופסת בכל המקרים.
אם מהירויות הגופים קרובה למהירות האור יש צורך להשתמש בתורת
היחסות הפרטית.
אם הגופים הם בסדר גודל של האטום אזי יש צורך להשתמש במכניקת
הקוונטים.
וניתן להראות כי המכניקה הניוטונית היא מקרה פרטי של שתי התיאוריות
הללו .בחיי יום יום ניתן להשתמש במכניקה ניוטונית ,המסבירה את תנועת
גופים שגודלם משתנה ממאוד קטנים ( כמעט בסקלה אטומית ) עד גופים
אסטרונומים.
חוק Iשל ניטון
עד ניוטון "ידעו" כולם שיש צורך בכוח כדי להבטיח שגוף ינוע במהירות
קבועה ,וגוף יהיה "במצבו הטבעי" כאשר הוא במנוחה.
הרעיון נשמע הגיוני .אם ניתן לגוף דחיפה ,הוא ינוע למרחק סופי וייעצר.
צריך לדחוף את הגוף בכוח מסוים כדי שימשיך לנוע במהירות קבועה.
אולם אם נערוך את ניסוי הדחיפה על משטח יותר חלק מהקודם נגלה שיש
צורך בכוח מוקטן כדי לשמור על מהירות קבועה של הגוף.
כתוצאה מהתצפיות הללו ,ניוטון ניסח את החוק הראשון שלו
חוק Iשל ניוטון ( ניסוח זמני )
מהירות גוף לא תשתנה אם לא פועל עליו שום כוח.
כוח
אנו זקוקים כעת להגדרה פיזיקלית של כוח .ידוע כי כוח גורם לתאוצה ולכן
נגדיר את הכוח בעזרת התאוצה.
נבחר מסה סטנדרטית של .1 kgנניח אותה על משטח חלק ,נדחוף אותה
ונמדוד את התאוצה .aנחפש את הכוח שיעניק למסה תאוצה של 1 m /
.s2במקרה זה נאמר שהפעלנו כוח של ניוטון אחד ) .( 1 Nכוח של 2 N
יגרום למסה הנ"ל תאוצה של .2 m / s2
כוח נימדד ע"י תאוצה ותאוצה היא גודל וקטורי .צריך לכן להוכיח שגם
הכוח הוא גודל וקטורי ע"י הפעלת הכוח בכוונים שונים וע"י הדגמה של
חוק החיבור .זהו עקרון הסופרפוזיציה .אילולי העיקרון אזי שני כוחות
מקבילים של 1 Nיתנו שקול של .5 N
אנו רואים אם כן שכוח גורם לתאוצה ולכן אם אין כוח ,אין תאוצה
והמהירות אינה משתנה.
חוק ראשון של ניוטון יהיה
אם סכום הכוחות הפועלים על הגוף ) (Fמתאפס אזי מהירות הגוף
נשארת קבועה.
מערכות אינרציליות
מדוע כאשר אתה עומד על קרוסלה מסתובבת אתה חייב להחזיק בעמוד
המחובר לרצפה כדי להישאר במנוחה?
כלומר עליך להפעיל כוח כדי להישאר במנוחה! הרי זה עומד בסתירה
לחוק ראשון של ניוטון.
התשובה לכך היא שחוק ראשון של ניוטון בתוקף רק במערכות ייחוס
אינרציאליות .אם המערכת איננה אינרציאלית חוק ראשון של ניוטון ( וכל
המכניקה הניוטונית ) אינו בתוקף.
מערכת אירציאלית היא מערכת בה חוק ראשון של ניוטון הוא בתוקף.
מערכת כזו היא פני כדור הארץ אם מתעלמים מסיבובו.
ככלל ,מערכת לא אינרציאלית היא מערכת מואצת .המערכות
האינרציאליות הם כל המערכות שנעות במהירות קבועה אחת יחסית
לשניה.
דיסקה מחליקה על משטח חלק מצפון
לדרום .לפי צופה על פני כדור הארץ,
N
במרחקים קצרים מסלול הדיסקה הוא קו
W
E
.
ישר
S
במרחקים גדולים מסלולה מתעקם מערבה
כיון שכדור הארץ ,עקב סיבובו ,איננו
מערכת ייחוס אינרציאלית.
צופה היושב על הדיסקה רואה את הקרקע מתחתיו נעה מזרחה
אם טיל נשלח מהקוטב הצפוני לניו יורק ,הוא עשוי להגיע לשיקגו אם
סיבוב כדור הארץ סביב צירו לא יובא בחשבון.
איזה מהציורים מתאר נכון התנהגות של שני כוחות F1ו – F2
F1
F2
F1
F1
F2
F2
F2
F1
F1
F2
F2
F1
מסה
אחרי שהגדרנו את הכוח בעזרת הסטנדרט של המסה והתאוצה נשארת
השאלה היסודית מה בדיוק זו מסה?
באופן אינטואיטיבי המסה קשורה לכמות החומר שיש לגוף .אם נבעט
בכדורגל ובכדור טניס באותה עוצמה התוצאה תהיה ברורה .ננסה למדוד
מסה ע"י סידרה של ניסויים.
בניסוי הראשון נפעיל כוח על הסטנדרט של המסה בת 1 kgונכוון את
הכוח כך שיעניק לה תאוצה של .1 m /s2הכוח הוא של .1N
נפעיל כעת את הכוח הזה על מסה של גוף .Xהגוף ינוע בתאוצה של
.0.25 m / s2אנו גם יודעים ,מחיי יום יום ,שלמסה גדולה יותר יש תאוצה
קטנה יותר.
נניח את ההנחה הבאה :יחסי המסות של שני הגופים יהיו שווים ליחס
ההפוך של התאוצות.
mX / m0 = a0 / aX
mX = m0 a0 / aX = 4 kg
כמובן שהסברה הזאת תהיה נכונה רק אם נפעיל כוחות אחרים על הגוף
ונקבל את אותה מסה .אם נפעיל כוח של 8 Nעל הגוף הסטנדרטי נקבל
תאוצה של .8 m /s2כאשר הכוח הזה מופעל על הגוף ,Xהוא יעניק לו
תאוצה של ,2 m /s2ומסתו תהיה
mX = m0 a0 / aX = 1x8/2 = 4 kg
המסה היא תכונה אינטרינסית של הגוף ובאה אוטומטית עם קיום הגוף.
היא תכונה סקלרית כיון שאינה תלויה בכיוון פעולת הכוח.
אבל על השאלה מהי מסה לא קיבלנו תשובה .יש לנו אינטואיציה על מהות
המסה .האם המסה היא משקל הגוף? גודלו? צפיפותו? התשובה היא
שלילית למרות שכל הגדלים הללו קשורים למסה.
עבורנו המסה היא תכונה פנימית של הגוף המקשרת בין הכוח הפועל על
הגוף ובין תאוצתו.
חוק שני של ניוטון
סכום הכוחות הפועלים על הגוף שווה למכפלת מסת הגוף בתאוצתו.
Fz = maz
F = ma
Fy = may
על גוף ,שמסתו 2 kg
Fx = max
20 N
m/s2
פועלים 3כוחות .הראשון F1 ,בן 10N
מכוון בזווית בת 30°לדרום – מערב.
השני ,F2 ,בן 20Nמכוון צפונה.
3
50º
2 kg
30°
10 N
מה גודלו של הכוח השלישי F3אם הוא מעניק תאוצה בת 3 m / s2לגוף
בכוון המצוין בציור.
F1 +F2 +F3 = ma
F3 = ma – F1 – F2
-F1
ma
-F2
F3
F3,x = m a cos 50 – F1 cos (-150) – F2 cos 90=
2•3 cos 50 – 10 cos (-150) = 12.5 N
F3,y = m a sin 50 – F1 sin (-150) – F2 sin 90 =
2•3 sin 50 – 10 sin (-150) – 20 = -10.4 N
F3 = 12.5 i –10.4 j 13 i - 10 j
F3 = ( 12.52 + 10.42 )½ = 16.26 N 16N
= tan –1 F3,y / F3,x = -40°
סוגי כוח
.1כוח כובדי (גרביטציוני)
כח כובדי ,Fg ,הוא משיכה של גוף המכוונת כלפי גוף שני .הגוף השני הוא
בדרך כלל כדור הארץ ,והכוח מכוון כלפי מרכז כדור הארץ .פני הארץ היא
מערכת אינרציאלית.
גוף נופל בנפילה חופשית .בהזנחת התנגדות האוויר,
)-Fg = m (-g
Fg = mg
Fg = -Fg j = -mg j = mg
.2משקל
משקל של גוף Wהוא הכוח הדרוש למניעת נפילה חופשית של הגוף.
למשל ,לשמור על כדור בידך במנוחה כאשר אתה עומד על האדמה אתה
צריך להפעיל כוח כלפי מעלה כדי לאזן את כוח הכובד הפועל על הגוף.
W
)W – Fg = m•(0
W = Fg = mg
Fg = mg
המשקל Wשל גוף שווה בגודלו ל ,Fg -כח הכובד הפועל על הגוף.
זהירות! משקל הגוף אינו מסת הגוף .מסת הגוף היא תכונה אינטרינסית של
הגוף .משקל הגוף הוא כוח! משקל הגוף יהיה שונה במקומות שונים
הנבדלים בגודלו של .gמשקל של גוף שמסתו 7.2 kgהוא .71 Nעל פני
הירח משקלו יהיה רק 12 Nכיון שתאוצת הנפילה החופשית על הירח היא
רק .1.7 m / s2
.3כוח נורמלי
כשאדם עומד על משטח ,המשטח מתעות ולוחץ חזרה על האדם בכוח
נורמלי המאונך למשטח.
N
N – Fg = may
N – mg = may
)N = m(g + ay
Fg
הכוח הנורמלי תלוי בתאוצת השולחן והגוף .אם המערכת במנוחה או
בתנועה במהירות קבועה אזי הכוח הנורמלי שווה למשקל.
.4כוח חיכוך.
זהו כוח מגע fבין שני משטחים המתנגד
לתנועה.
.5מתיחות
תנועה
f
חבל או שרשרת מתוחים ,מחוברים לגוף ומושכים אותו בכוח .Tזוהי
המתיחות בחוט.
אם החוט חסר מסה ,המתיחות לאורכו שווה והוא משמש להעברת
המתיחות מצד לצד .הוא מושך את שני הגופים המחוברים אליו בכוח .T
גם אם החוט כרוך סביב גלגלת חסרת חיכוך ומסה הוא מעביר את המתיחות
מצד לצד.
נחזור לג’ון מסיס גורר הקרונות .הוא גורר את הקרונות בשיניו ומפעיל עקב
כך כוח הגדול פי 2.5ממשקלו ובזווית בת 30°לכוון התנועה .מסתו היא
.80 kgמשקל הקרונות הוא ,700 000 Nוהוא מזיז אותם למרחק של
מטר.
מהי מהירות הקרונות בסוף המרחק.
) v2 = v02 + 2a( x – x0
תנאי ההתחלה
v0 = 0 x – x0 = 1
Fx = Max
T cos = Ma
M = W / g = 7x105 / 9.8 = 7.143x104 kg
T = 2.5 mg = 2.5x80x9.8 = 1960 N
a = T cos / M = 0.02376 m /s2
v = 0.22 m /s
T
N
30°
Fg
חוק IIIשל ניוטון
נתונים שני גופים A ,ו B -המפעילים כוח אחד על השני.
A
אם גוף Aפועל בכוח Fעל גוף ,Bגוף
Bפועל בכוח -Fעל גוף .A
B
FBA
FAB
FAB = -FBA
NB
דוגמאות
NA
’NB
W2
W1
NA
’NB
NB
W2
W1
אדם ,שמשקלו 72.2 Kgעומד על משקל במעלית .מה מראה המשקל
כאשר המעלית נחה וכאשר היא בתנועה כלפי מעלה או מטה.
N
המשקל מראה את הכוח הנורמלי הפועל על
רצפת המעלית.
N – W = ma
N – mg = ma
W
)N = m (g + a
כאשר המעלית במנוחה או במהירות קבועה( a = 0 ,
) ,המשקל הוא המשקל האמיתי.
כאשר המעלית נעה בתאוצה ,המשקל מראה משקל מדומה שיכול אפילו
להיות אפס אם המעלית נופלת נפילה חופשית .הרגשה של חוסר משקל
וריחוף במעלית.
כוח אופקי קבוע Fapשגודלו 20 Nפועל על גוף שמסתו ,m A = 4.0 kG
שדוחף גוף שני בן .m B = 6.0 kGהגופים נעים על פני מישור חסר חיכוך.
מהי תאוצת הגופים ומהו הכוח שגוף A
מפעיל על גוף .B
Fap – FAB = mAa
Fap
FAB
FAB = mBa
פתרון המשואות ייתן
a = FAB / ( m A + m B ) = 2.0 m /s2
FAB = mBa = 12 N
Fap
FAB