Наглядная физика. Основы динамики
Интерактивные модели
1. Инертная масса
2. Сравнение масс тел
3. Масса, ускорение и сила
4. Второй закон Ньютона (1)
5. Второй закон Ньютона.(2)
6. Второй закон Ньютона.(3)
7. Третий закон Ньютона
8. Падение тел в трубке Ньютона
9. Движение тела, брошенного под углом к горизонту
10. Зависимость дальности полета от угла бросания
11. Зависимость силы упругости от деформации тела
12. Трение покоя и трение скольжения
13. Силы трения на наклонной плоскости
14. Вязкое трение
15. Действие на материальную точку нескольких сил
16. Действие на закрепленное тело нескольких сил
17. Момент сил (1)
18. Момент сил (2)
19. Равновесие тела, закрепленного на оси вращения
Если на протяженное тело действует несколько сил, его движение не определяется равнодействующая всех сил, необходимо учитывать точки приложения сил. Модель демонстрирует сложность движения протяженного тела под действием трех сил. Можно менять величины сил и точки их приложения. Если на тело (протяженное, не материальную точку) действует несколько сил, то движение тела не определяется вторым законом Ньютона в виде где F - сумма всех действующих на тело сил (равнодействующая). Для описания движения в этом случае необходимо учитывать точки приложения сил. Модель демонстрирует сложность движения протяженного тела под действием трех сил. Можно менять величины сил и точки их приложения. Эксперименты с моделью показывают, что равенство нулю равнодействующей еще не означает, что тело будет находиться в покое. Протяженное тело может не только сдвигаться параллельно, но и поворачиваться.
Третий закон Ньютона: силы взаимодействия двух тел равны по модулю, противоположны по направлению и направлены вдоль одной прямой. Модель демонстрирует движение двух тел (Луны и астероида) под действием сил притяжения. Показаны силы притяжения, действующие на планету и на астероид. Начальную скорость астероида можно изменять. Третий закон Ньютона: силы взаимодействия двух тел равны по модулю, противоположны по направлению и направлены вдоль одной прямой. В модели показаны силы взаимодействия между планетой и движущимся около нее астероидом. Эти силы действуют на разные тела, сила, действующая на планету, показана красным цветом, а на астероид - зеленым. Сила их взаимного притяжения уменьшается с увеличением расстояния. Выбрана система отсчета, связанная с центром масс планеты и астероида. В этой системе отсчета планета и астероид движутся вокруг неподвижного центра масс, что особенно заметно, когда масса астероида не слишком мала.
Тела различной массы и формы падают по-разному из-за сопротивления воздуха. Модель наглядно демонстрирует падение тел в трубке, давление воздуха в которой можно изменять.
Тела различной массы и формы падают по-разному из-за сопротивления воздуха. При увеличении давления воздуха это различие усиливается. Сила, заставляющая тела падать равна mg=Fс , где Fс- сила сопротивления. При малых скоростях сила Fс пропорциональна скорости, а при больших - квадрату скорости. Направление силы зависит от формы тела. Рис. На тело, падающее в воздухе, действуют лве силы: сила притяжения mg и сила сопротивления Fc. Сила сопротивления Fc зависит от размеров тела, его формы, от скорости движения тела и от плотности воздуха.
Модель демонстрирует падение тел в трубке, давление воздуха в которой можно изменять. При уменьшении давления воздуха до нуля эти тела падают одинаково, т. к. в пустоте силы сопротивления нет, и тело падает с ускорением свободного падения g=9.81 м/с². Нажав на кнопку Пауза в момент падения тел, можно увидеть разницу в их движении.
Движение тела, брошенного под углом к горизонту
Движение тела (материальной точки) с постоянным ускорением a (равноускоренное движение) полностью определяется его начальным положением r0 и начальной скоростью v0, см. рис. а. Рис. Движение тела с постоянным ускорением a. а) Начальные условия: начальное положение O тела и начальная скорость v0 тела. б) Выбор система координат для тела, брошенного под углом к горизонту. Центр системы координат совпадает с начальным положением тела, ось Oy параллельна вектору a, но направлена в противоположную сторону, ось Ox лежит в плоскости, параллельной векторам a и v0. Выбрав систему координат, как показано на рис , векторное уравнение движения (второй закон Ньютона) можно записать в виде двух (скалярных) уравнений
с начальными условиями x(0)=0, vx(0)=v0·cos (α) и y(0)=0, vy(0)=v0 sin (α). Эти уравнения не связаны друг с другом. Следовательно, движение тела, брошенного под углом к горизонту, сводится к двум независимым движениям: равномерному вдоль оси Ox и равноускоренному движению вдоль оси Oy. Точнее, первое уравнение описывает равномерное движение точки с начальной скоростью v0cos(α), а второе - равноускоренное движение точки с ускорением g и с начальной скоростью v0sin(α). Поэтому, используя известные формулы для равномерного и равноускоренного движений, можно написать зависимость координат тела от времени:Движение тела (материальной точки) с постоянным ускорением полностью определяется его начальным положением и начальной скоростью. Траектория является параболой. Модель наглядно демонстрирует зависимость равноускоренного движения от начальной скорости.
Зависимость дальности полета от угла бросания
Модель наглядно демонстрирует зависимость дальности полета тела, брошенного под углом к горизонту, от угла бросания.
Движение тела с постоянным ускорением g (равноускоренное движение) полностью определяется начальным положением r0 и начальной скоростью v0 . В векторном виде кинематический закон движения имеет вид Рис. Система координат для тела, брошенного под углом к горизонту. Итак, в координатах, выбранных, как показано на рис., векторное равенство (1) записывается в виде системы равенств: В момент времени t1 тело достигает наибольшей высоты H, если vy(t1)=0 (проекция скорости на ось Oy зависит от времени так: vy(t)=v0 sin (α) -gt). Отсюда Для получения уравнения траектории нужно из двух уравнений кинематического закона движения (2) исключить время. Для этого выражаем t из первого уравнения системы (2)(вместо x(t) и y(t) будем писать x и y соответственно) и подставляем это в правую часть второго уравнения этой системы После упрощения получаем уравнение траектории что можно было получить, записав уравнение параболы с вершиной в точке (L/2,H), пересекающей ось Ox в точках с абсциссами 0 и L. (1)
Скорость изменяется по закону v (t)= v0 +gt. Если выбрать систему координат Oxy как показано на рисунке и рассмотреть движение проекций тела на оси координат, то по оси Ox движение будет равномерным, апо оси Oy - равноускоренным с ускорением gy=-g. (2)
Из симметричности параболы следует, что время полета t2=2 t1. Дальность полета L=x(t2). Тогда