однородное поле силы тяжести

Силовая функция однородного поля силы тяжести

Силовая функция однородного поля силы тяжести

Эти пары сил получаются из пар сил, произвольно расположенных в плоскости пересечения путем перемещения, вращения и одновременной смены плеч и сил в рабочей плоскости. Людмила Фирмаль

Уравнение (83) определяет силовую функцию однородного гравитационного поля, то есть поля, где сила тяжести постоянна по абсолютной величине и направлению. Уравнение для горизонтальной плоскости U = C или z = const. Другими словами, горизонтальная плоскость является горизонтальной плоскостью.

Если крутящий момент относительно выбранной точки на действующей поверхности силы выбирается в действующей поверхности силовой пары как частный случай, то алгебраическая сумма момента силовой пары: векторного момента силовой пары задается разрезом.

Итак, если вы добавите две пары сил на плоскости, которые пересекаются, вы получите эквивалентную пару сил. Людмила Фирмаль

В этом случае векторные моменты параллельны, и поэтому векторное сложение переходит в алгебру, поэтому сложение пар сил, находящихся в одной плоскости или параллельной плоскости, не обязательно для пересечения.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник

Однородное поле силы тяжести

Все тела обладающие массой притягиваются друг к другу. Исаак Ньютон на основе многолетних данных астрономических наблюдений и законов динамики сформулировал закон всемирного тяготения : две любые материальные точки массами m 1 и m 2 притягиваются друг к другу вдоль линии соединяющей точки с силой прямо пропорциональной произведению масс точек и обратно пропорциональной квадрату расстояния (r) между ними:

Земля не является «материальной точкой» для тел, расположенных на ее поверхности. Теоретически доказано, что сила, с которой Земля притягивает тела, расположенные вне ее, равна силе, которую создавала бы материальная точка массой (М), равной массе Земли, и расположенная в центре Земли. Назовем силой тяжести силу, с которой тело взаимодействует с планетой, вблизи которой оно находится.

В соответствии с законом всемирного тяготения на материальную точку массой (m) со стороны Земли будет действовать сила тяжести, равная

Если тело движется с ускорением равным ускорению силы тяжести, то вес тела будет равен нулю:

1) вес тела равен нулю когда тело движется с ускорением равным ускорению силы тяжести ( ) в лифте вертикально вниз;

Закон всемирного тяготения определяет величину и направление силы всемирного тяготения, но не отвечает на вопрос как осуществляется это взаимодействие. Гравитационное взаимодействие между телами осуществляется с помощью поля тяготения, или гравитационного поля.

1. Напряженность гравитационного поля ( ), силовая характеристика поля, равна силе, действующей со стороны поля на материальную точку единичной массы, и совпадает по направлению с действующей силой (это ничто иное как ускорение, с которым тело движется в поле тяготения):

Независимо от своей массы все тела под действием силы тяжести движутся с одинаковым ускорением ( )

Единица измерения [φ]=Дж/кг.

Потенциальная энергия тела в гравитационном поле равна:

Тогда работа гравитационного поля по перемещению тела из точки с потенциалом φ 1 в точку с потенциалом φ 2 равна:

Работа гравитационного поля по перемещению тела между двумя точками не зависит от траектории движения тела, а определяется только разностью потенциалов начальной и конечной точек, на замкнутом пути работа гравитационного поля равна нулю. То есть, сила всемирного тяготения и сила тяжести являются консервативными.

В качестве примера рассмотрим гравитационное поле материальной точки.

Наглядную картину поля представляет набор линий напряженности и эквипотенциальных поверхностей, например, гравитационное поле материальной точки представлено на рисунке (1.8.2).

Мы уже упоминали, что гравитационное поле Земли можно рассматривать, как поле материальной точки расположенной в центре Земли. Тогда потенциальная энергия тела, находящегося на высоте h относительно Земли:

Потенциальная энергия тела на высоте h над поверхностью Земли, равна:

Рассмотрим взаимосвязь между потенциалом и напряженностью поля тяготения.

Элементарная работа, совершаемая полем при малом перемещении тела массой (m), равна

Величина dφ/dl характеризует изменение потенциала на единицу длины в направлении перемещения в поле тяготения, это ничто иное, как градиент потенциала.

Таким образом, напряженность гравитационного поля численно равна градиенту потенциала гравитационного поля и направлена в сторону его уменьшения:

На Земле приблизительно инерциальными являются системы отсчета, которые покоятся или движутся равномерно и прямолинейно относительно точек на поверхности Земли.

Силы инерции обусловлены ускоренным движением системы отсчета относительно измеряемой системы, рассматривают три варианта проявления этих сил.

1. Сила инерции возникает при ускоренном поступательном движении системы отсчета и направлена против вектора ускорения неинерциальной системы отсчета :

Действию центробежной силы инерции подвергаются пассажиры в движущемся транспорте на поворотах; летчики при выполнении фигур высшего пилотажа; центробежные силы инерции используются во всех центробежных механизмах: насосах, сепараторах, где они достигают огромных значений. При проектировании быстро вращающихся деталей машин (роторов, винтов самолетов) принимаются специальные меры для уравновешивания центробежных сил инерции.

равна произведению удвоенной массы тела на векторное произведение скорости поступательного движения тела относительно системы отсчета и угловой скорости вращения системы отсчета. Эта сила направлена перпендикулярно векторам скорости тела и угловой скорости вращения системы в соответствии с правилом правого винта.

Земля представляет собой вращающуюся систему отсчета и действие силы Кориолиса объясняет ряд наблюдаемых на Земле явлений. Так, если тело движется в северном полушарии на север (рис.1.8.4), то сила Кориолиса будет направлена вправо по отношению к направлению движения, и тело отклонится на восток. Если тело движется в юг, то сила Кориолиса также направлена вправо по отношению к направлению движения, и тело отклонится на запад. Поэтому в северном полушарии наблюдается более сильное подмывание правых берегов рек; правые рельсы железнодорожных путей по движению изнашиваются быстрее, чем левые. Аналогично можно показать, что в южном полушарии сила Кориолиса, действующая на движущиеся тела, будет направлена влево по отношению к направлению движения.

Если учесть силы инерции, то второй закон Ньютона будет справедлив для любой системы отсчета : произведение массы тела на ускорение в рассматриваемой системе отсчета равно сумме всех сил, действующих на данное тело (включая и силы инерции):

Обратим еще раз внимание на то, что силы инерции вызываются не взаимодействием тел, а ускоренным движением системы отсчета, поэтому они не подчиняются третьему закону Ньютона. Два основных положения механики: 1) ускорение всегда вызывается силой; 2) сила всегда обусловлена взаимодействием между телами, в неинерциальных системах отсчета одновременно не выполняются.

Таким образом, силы инерции действуют только в неинерциальных системах отсчета, в инерциальных системах отсчета таких сил не существует.

Все тела независимо от их масс и химического состава, получают в данном гравитационном поле одинаковые ускорения. Поэтому в таком поле они движутся совершенно одинаково, если только одинаковы начальные условия. Тем же свойством обладают свободно движущиеся тела, если их движение рассматривать относительно какой-либо неинерциальной системы отсчета.

Силы инерции, действующие на тела неинерциальной системе отсчета, пропорциональны их массам и при прочих равных условиях сообщают этим телам одинаковые ускорения. Поэтому в «поле сил инерции» эти тела движутся совершенно одинаково, если только одинаковы начальные условия.

Все механические явления и движения в лифте будут в точности такими же, что и в неподвижном лифте, висящем в поле тяжести.

Никакой эксперимент, выполненный внутри лифта, не может отделить однородное поле тяготения от однородного поля сил инерции.

Аналогия между силами тяготения и силами инерции лежит в основе принципа эквивалентности гравитационных сил и сил инерции.

Принципа эквивалентности Эйнштейна: все физические явления в поле сил тяготения происходят совершенно так же, как и в соответствующем поле сил инерции, если напряженности обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а прочие начальные условия для рассматриваемых тел одинаковы.

Принцип эквивалентности гравитационных сил и сил инерции можно рассматривать как принцип эквивалентности гравитационной и инерционной масс тела.

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2013

Источник

§ 18. Силовое поле. Центр тяжести твердого тела

Область, в каждой точке которой на помещенную туда материальную частицу действует сила, зависящая от координат этой точки, называется силовым полем.

Например, на каждую частицу тела, находящегося вблизи земной поверхности, действует направленная вертикально вниз сила тяжести. Эти силы образуют поле сил тяжести. Силы тяжести, действующие на частицы тела, можно считать параллельными друг другу и сохраняющими для каждой частицы постоянное значение при любых поворотах тела. Поле тяжести, в котором выполняются эти два условия, называют однородным полем тяжести.

Равнодействующую сил тяжести , ,…, действующих на частицы тела, обозначим через (рис. 39). Модуль этой силы называется весом тела и определяется равенством

. (41)

При повороте тела силы остаются параллельными друг другу. Следовательно, равнодействующая сил будет при любых положениях тела проходить через одну и ту же точку С, являющуюся центром параллельных сил тяжести . Эта точка называется центром тяжести тела. Таким образом, центром тяжести твердого тела называется неизменно связанная с этим телом точка, через которую проходит линия действия равнодействующей сил тяжести, действующих на частицы тела, при любом положении тела в пространстве.

Координаты центра тяжести, как центра параллельных сил, определяются формулами (40); следовательно,

, ,, (42)

где x_k,y_k,z_k – координаты точек приложения сил тяжести .

Отметим, что центр тяжести – это точка геометрическая; она может лежать и вне пределов данного тела (например, для кольца).

§19. Координаты центров тяжести однородных тел

Для однородного тела вес p_k любой его части и вес Р всего тела пропорциональны соответственно объемам v_k этой части и V всего тела, т.е.

, ,

где – вес единицы объема.

Подставив эти значения Р и р_k в формулы (42), получим

, ,. (43)

Как видно, положение центра тяжести однородного тела зависит только от его геометрической формы. Поэтому точку С, координаты которой определяются формулами (43), называют центром тяжести объема V.

Путем аналогичных рассуждений легко найти, что если тело представляет собой однородную плоскую и тонкую пластину, то для нее

, , (44)

где S – площадь пластины, s_k – площади ее частей. Точку, координаты которой определяются формулами (44), называют центром тяжести площади S.

Точно также получаются формулы для координат центра тяжести линии:

, , , (45)

где L – длина линии, ℓ_k – длина ее частей.

Таким образом, центр тяжести однородного тела определяется, как центр тяжести соответствующего объема, площади или линии.

§20. Способы определения координат центров тяжести тел

Исходя из полученных выше формул, можно указать способы определения координат центров тяжести тел.

1. Симметрия. Если однородное тело имеет плоскость, ось или центр симметрии, то его центр тяжести лежит соответственно или в плоскости симметрии, или на оси симметрии, или в центре симметрии. Из свойств симметрии следует, что центр тяжести однородного круглого кольца, круглой или прямоугольной пластины, прямоугольного параллелепипеда, шара лежит в геометрическом центре (центре симметрии) этих тел.

2. Разбиение. Если тело можно разбить на конечное число таких частей, для каждой из которых положение центра тяжести известно, то координаты центра тяжести тела можно вычислить по формулам (42) – (45).

3. Дополнение. Этот способ применяется к телам, имеющим вырезы, если центры тяжести тела без выреза и вырезанной части известны.

4. Интегрирование. Тело разбивают на произвольно малые объемы Δv_k, для которых формулы (49) принимают вид

, ,. (46)

где x_k,y_k,z_k – координаты некоторой точки, лежащей внутри объема Δv_k. Затем в равенствах (46) переходят к пределу, устремляя все Δv_kк нулю. Тогда суммы обращаются в интегралы и формулы (46) дают в пределе

,,. (47)

Аналогично для координат центров тяжести площадей и линий получаем:

, . (48)

, , . (49)

5. Экспериментальный способ. Центры тяжести неоднородных тел сложной конфигурации (самолет, тепловоз и т.п.) определяют экспериментально.

Источник

однородное силовое поле

Полезное

Смотреть что такое «однородное силовое поле» в других словарях:

однородное силовое поле — Силовое поле, в любой точке которого сила поля имеет для данной материальной точки одно и то же значение. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 102. Теоретическая механика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г.]… … Справочник технического переводчика

Силовое поле (физика) — У этого термина существуют и другие значения, см. Силовое поле. Силовое поле в физике это векторное поле в пространстве, в каждой точке которого на пробную частицу действует определённая по величине и направлению сила (вектор силы).… … Википедия

СИЛОВОЕ ПОЛЕ — часть пространства (ограниченная или неограниченная), в каждой точке к рой на помещённую туда материальную ч цу действует сила, величина и направление к рой зависят либо только от координат х, у, z этой точки, либо от координат и от времени t. В… … Физическая энциклопедия

Силовое поле — часть пространства (ограниченная или неограниченная), в каждой точке которой на помещенную туда материальную частицу действует определённая по величине и направлению сила, зависящая или только от координат x, у, z этой точки, или же от… … Большая советская энциклопедия

Электрическое поле — Классическая электродинамика … Википедия

МОДЕЛИРОВАНИЕ — физическое, замена изучения нек рого объекта или явления эксперим. исследованием его модели, имеющей ту же физ. природу. В науке любой эксперимент, производимый для исследования тех или иных закономерностей изучаемого явления или для проверки… … Физическая энциклопедия

СИЛА ТЯЖЕСТИ — сила Р, действующая на любую материальную частицу, находящуюся вблизи земной поверхности, и определяемая как геом. сумма силы притяжения Земли F (рис.) и переносной силы инерции Jпер, учитывающей эффект суточного вращения Земли (аналогично… … Физическая энциклопедия

Моделирование физическое — вид моделирования, который состоит в замене изучения некоторого объекта или явления экспериментальным исследованием его модели (См. Модель), имеющей ту же физическую природу. В науке любой эксперимент, производимый для выявления… … Большая советская энциклопедия

Сила тяжести — действующая на любую материальную частицу, находящуюся вблизи земной поверхности, сила Р, определяемая как геометрическая сумма силы притяжения Земли F и центробежной (переносной) силы инерции Q учитывающей эффект суточного вращения Земли … Большая советская энциклопедия

Важнейшие открытия в физике — История технологий По периодам и регионам: Неолитическая революция Древние технологии Египта Наука и технологии древней Индии Наука и технологии древнего Китая Технологии Древней Греции Технологии Древнего Рима Технологии исламского мира… … Википедия

Источник

Однородное электростатическое поле и его работа

теория по физике 🧲 электростатика

Однородное электрическое поле сосредоточено между разноименно заряженными пластинами (обкладками конденсатора).

Характеристики однородного электростатического поля

d — расстояние между заряженными пластинами.

Подсказки к решению задач:

Важно! Направление траектории совпадает с направлением равнодействующей силы.

Равнодействующая силы находится по второму закону Ньютона:

Из рисунка видно, что:

Пример №1. Полый шарик массой m = 0,4 г с зарядом q = 8 нКл движется в горизонтальном однородном электрическом поле, напряженность которого E = 500 кВ/м. Какой угол α образует с вертикалью траектория шарика, если его начальная скорость равна нулю?

При движении в электрическом поле на заряженную частицу действует сила тяжести:

На нее также действует сила Кулона со стороны электрического поля:

В инерциальной система отсчета, связанной с Землей, в соответствии со вторым законом Ньютона:

При движении из состояния покоя с постоянным ускорением тело движется по прямой в направлении вектора ускорения, т. е. в направлении равнодействующей приложенных сил. Прямая, вдоль которой направлен вектор ускорения, образует угол с вертикалью, равный:

Тангенс, равный единице, соответствует углу, равному 45 градусам.

Работа однородного электрического поля

Из курса механики вспомним, что работа определяется произведением силы, действующей на тело, на его перемещение и косинус угла между векторами силы и этого перемещения:

Эту же формулу можно использовать для нахождения работы однородного электрического поля. В качестве силы в данном случае выступает сила Кулона:

А произведение перемещения на косинус угла между силой и перемещением в этом случае равно разности начального и конечного положения заряда:

Отсюда работа однородного электрического поля равна:

Формулы работы электрического поля

Работу также можно выразить через разность потенциалов:

A = ± q ( φ 1 − φ 2 ) = ± q U 12

Внимание! Работа электростатического поля не зависит от вида траектории.

Работа и изменение кинетической энергии:

Работа и изменение потенциальной энергии:

A = − ( q E r − q E r 0 ) = − Δ W p

Пример №2. В точке А потенциал электрического поля равен 200 В. Потенциал в точке В равен 100В. Какую работу совершают силы электростатического поля при перемещении заряда 5 мКл из точки А в точку В?

Положительный заряд перемещается в однородном электростатическом поле из точки 1 в точку 2 по разным траекториям. Работа сил электростатического поля

а) максимальна в случае перемещения по траектории I

б) не совершается в случае перемещения по траектории II

в) минимальна в случае перемещения по траектории III

г) одинакова при перемещении по всем траекториям

Алгоритм решения

Решение

Кулоновская сила — это потенциальная сила. Поэтому работа, которую она совершает, не зависит от вида траектории. Учитываться будет только перемещение, равное кратчайшему расстоянию между точками 1 и 2. Следовательно, работа будет одинаковой при перемещении положительного заряда по всем траекториям.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Однородное электростатическое поле создано равномерно заряженной протяжённой горизонтальной пластиной. Линии напряжённости поля направлены вертикально вверх (см. рисунок).

Из приведённого ниже списка выберите два правильных утверждения и укажите их номера.

1) Пластина имеет отрицательный заряд.

2) Потенциал электростатического поля в точке В ниже, чем в точке С.

3) Работа электростатического поля по перемещению пробного точечного отрицательного заряда из точки А и в точку В равна нулю.

4) Если в точку А поместить пробный точечный отрицательный заряд, то на него со стороны пластины будет действовать сила, направленная вертикально вниз.

5) Напряжённость поля в точке А меньше, чем в точке С.

Алгоритм решения

Решение

Согласно утверждению 1, пластина имеет отрицательный заряд. Известно, что векторы напряженности поля, создаваемого отрицательным зарядом, направляются в сторону этого заряда. Но мы видим, что векторы направляются от заряда. Следовательно, пластина заряжена положительно, а утверждение 1 неверно.

Согласно утверждению 2, потенциал электростатического поля в точке В ниже, чем в точке С. Известно, что потенциал зависит от расстояния до отрицательно пластины. Поскольку в нашем случае пластина заряжена положительно, с увеличением расстояния от нее потенциал уменьшается. Поэтому потенциал в точке С меньше потенциала в точке В, а утверждение 2 неверно.

Согласно утверждению 3, работа электростатического поля по перемещению пробного точечного отрицательного заряда из точки А и в точку В равна нулю. Работа определяется формулой:

Видно, что работа зависит от перемещения относительно заряженной пластины. Но точки А и В находятся от пластины на одинаковом расстоянии. Следовательно, перемещение относительно нее равно 0. Поэтому работа по перемещению заряда тоже будет нулевой, и утверждение 3 верно.

Согласно утверждению 4, если в точку А поместить пробный точечный отрицательный заряд, то на него со стороны пластины будет действовать сила, направленная вертикально вниз. Это действительно так. Мы выяснили, что пластина заряжена положительно. Следовательно, отрицательный заряд будет притягиваться к ней, и утверждение 4 верно.

Согласно утверждению 5, напряжённость поля в точке А меньше, чем в точке С. Это не так, потому что речь идет об однородном поле. Напряженность однородного поля одинакова во всех точках, и утверждение 5 неверно.

Верные утверждения: 3 и 4.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Источник

• ← светящийся рисунок на стене
• что можно научиться делать дома →

	Равновесие заряженного тела в электростатическом поле: Сила тяжести равна произведению массы заряженного тела на ускорение свободного падения:
	Отклонение от вертикали нити с заряженным телом в горизонтальном электростатическом поле. Второй закон Ньютона в векторной форме: − F K + m − g + − T = m − a Отсюда сила Кулона равна: