Síly, vlastnosti sil (rozpracováno) obrázky

Druhy sil
Účinky síly
Síla
Gravitační síla
Gravitační síla ve vesmíru
Tíhová síla v různých místech  
Stav beztíže
Znázornění síly
Skládání sil
 stejný směr
 opačné
 různoběžné     
Těžiště
Tření (smykové)
Jak upravit tření
Na čem závisí tření
Odpor prostředí
Newtonovy zákony
 - setrvačnosti
 - síly
 - akce a reakce
Páka
Kladka LP kladka
Tlak
 

Druhy sil

Silou působí jedno těleso na druhé:

Pole = oblast, ve které bez dotyku působí dané těleso na ostatní tělesa.
Druhé těleso působí na první také (stejnou silou).

Coriolisova síla: důsledky, házení


Účinky síly


Síla obrázky

Síla popisuje vzájemné působení těles.

Síla je fyzikální veličina.
Značka: F (Force)
Jednotka: 1 N (Newton)
kN, MN

1 N = síla, kterou Země přitahuje 100 g těžké těleso.
1 kg je k Zemi přitahován silou 10 N.
POZN: Isaac Newton - anglický fyzik, matematik.
Měřidlo síly: siloměr (natahuje se v něm pružina).
- síla - natažení siloměru
Znázornění síly: šipkou (obr)

Měření siloměrem - pozor na pružinu!


Gravitační síla obrázky

Isaac Newton objevil, že:
- gravitační silou Fg se vzájemně přitahují každá dvě tělesa
- kolikrát hmotnost tělesa, tolikrát je Fg
- čím jsou tělesa od sebe dál, tím je Fg

Gravitační síla Země přitahuje tělesa ke středu Země.
Tento směr nazýváme svislý směr.

Příklady: Já - Země (velká síla), já - tužka (nesmírně malá síla).

Silové působení je vzájemné - stejnou silou i těleso přitahuje Zemi.

    hmotnost    gravitační síla 
kočka 3 kg Fg = 30 N
tygr 120 kg Fg = 1200 N
auto 2,4 t Fg = 24000 N
mobil     100 g Fg = 1 N


Na Zemi:

čas pádu   konečná rychlost    délka pádu 
1 s 10 m/s 5 m
2 s 20 m/s 20 m
3 s 30 m/s 45 m

Gravitační síla (~ tíhová síla):

Fg = m.g

F g = gravitační síla, kterou Země přitahuje těleso hmotnosti m.
g = tíhové zrychlení = přírůstek rychlosti pádu za 1 s.

Na Zemi g = 9,81 m/s2 (každou sekundu naroste rychlost pádu o 9,81 m/s)
Pamatuj: g = 10 m/s2

PŘ: Spočti tíhovou sílu, kterou na tebe působí Země.
m = 45 kg, Fg=?
Fg= m.g
Fg= 45.10
Fg= 450 N
Země mne přitahuje silou 450 N.
I já přitahuji Zemi silou 450 N.


Gravitační síla ve vesmíru

POZN: Hmotnost tělesa se projeví např. při nárazu - stejně na Zemi i ve stavu beztíže.
Váhy měří sílu, kterou na ně tlačí těleso, NE hmotnost.

Tíhové zrychlení udává, "jak moc" těleso (planeta) přitahuje ostatní tělesa.
Na Zemi g = 10 m/s2.

žák 50 kg:

Měsíc
1,6 m/s2
Mars
4 m/s2
Země
10 m/s2
Jupiter
23 m/s2
hmotnost [kg]
(změřím např. nárazem do molitanu)
50 50 50 50
váha ukáže [kg] 8 20 50 106

! Hmotnost má těleso stále stejnou (poznám při nárazu i ve stavu beztíže).

Kosmonauti na Měsíci - snadno vyskočí (~Fg), ale nebezpečí při nárazu (~hmotnost).
Video: Baumgartner: skok ze stratosféry + zkrácený průběh, top skoky


Tíhová síla v různých místech

Země se otáčením zploštila - na rovníku (dál od středu) přitahuje méně, než na pólech (blíž středu).   (gravitační síla )
Země se točí - odstředivá síla táhne tělesa ven (od osy rotace).
Započtením vlivu rotace mluvíme o tíhové síle.

Vzdalováním od Země tíhová síla prudce klesá obr.

Stav beztíže

Když:
- volně padám (skok do vody, parašutista…)
- letím nahoru (skokem z trampolíny…)
- kroužím kolem Země (vhodnou rychlostí v raketě)
tak se nacházím ve stavu beztíže.

Stavy beztíže na Zemi: trampolína, houpačka, parabolický let

Raketa (~vystřelený náboj), aby nespadla k Zemi, musí letět 8 km/s (1.kosmická rychlost).
Gravitace (7:10 míček-hor. dráha,23:55 beztíže v letadle )


znázornění sílyZnázornění síly obr

Náčrtkem znázorníme 3 informace:
- působiště síly (= bod, ve kterém působí)
- směr působení (= směr šipky)
- velikost síly (= délka šipky)

Znázorni síly:

a) F5 = 300 N;  působí v bodě E;  směr: doprava
b) F6 = 3,7 N; působí v bodě F;  směr: vpravo vzhůru

Zjisti velikost sil:


Skládání sil

Více sil současně působících na těleso lze nahradit jedinou silou - výslednicí sil.
Ta má stejný účinek, jako nahrazené síly.
Skládání sil = určení výslednice.

Síly působící stejným směrem:

PŘ: 2 kamarádi vezou vozík - působí silami F1 = 200 N a F2 = 300 N.
Urči výslednici.

   1 cm 100 N

Řešení:

Výpočet: F = F1 + F2 = 200 + 300 = 500 N

Působiště té výslednice = působiště prvotních sil.


Síly působící opačným směrem:

PŘ: Kamarádi se přetahují - působí silami F1 = 200 N a F2 = 300 N.
Urči výslednici.
  1 cm 100 N

Řešení:

 

Výpočet: F =(větší) (menší) = F1 F2 = 300 - 200 = 100 N

Působiště výslednice = působiště prvotních sil.
Směr = směr větší síly.


Různoběžné síly:

PŘ: Psi táhnou sáně

1 cm 100 N

Síly doplníme na rovnoběžník.
Výslednice = úhlopříčka, vychází z působiště sil.
Velikost výslednice změříme (zatím ji neumíme spočítat).


1. Slož síly:
- působiště v bodě B
- F1=50 N, F2= 40 N
- úhel 90°
2. Slož síly:
- působiště v bodě C
- F1=30 N, F2= 40 N
- úhel 60°
3. Slož síly:
- působiště v bodě D
- F1=500 N, F2= 300 N
- úhel 120°
4. Slož síly:
- působiště v bodě E
- F1=3 N, F2= 5 N
- úhel 60°

Rovnováha sil: opačné, stejně velké síly, působí na jedno těleso (na mě: Země, podlaha…).
Výslednice = 0 (síly se vzájemně "vyruší").

Úkol: Znázorni gravitační sílu 15000 N působící na náklaďák. řeš

Úkol: Raketu (hmotnosti 200 kg) žene vzhůru motor silou F = 5000 N. Znázorni, urči výslednici. řeš

Úkol: Plavec plave napříč řekou - silou 200 N. Proud jej unáší (doprava) silou 500 N. Znázorni, urči výslednici. řeš


 

Těžiště obrázky

Těžiště tělesa = působiště tíhové síly (bod).
Těžiště zastupuje celé těleso v experimentech.
Těžiště může ležet i mimo těleso.
Těžnice = svislá čára (jde bodem závěsu i těžištěm).
Určení těžiště:
- průsečík těžnic: 2× zavěs těleso svislé čáry od bodu závěsu se protnou v těžišti
- pro tyč, koště…: položím na ruce, které pomalu přiblížím k sobě


Změna polohy těžiště

Zavěšené těleso se snaží mít těžiště pod bodem závěsu!
Postavené těleso musí být podepřeno pod těžištěm.
Pokud při náklonu těžiště přesáhne okraj podstavy, těleso se převrhne.
Polohu těžiště řešíme: náklad vozidla, lodi, stabilita nádobí na lodi, jeřábu…

Úkol: zajisti, aby tužka stála na špičce.


Rovnovážná poloha:

Stálá: Volná: Vratká:

- drží v této poloze
- vrací se do ní

- drží i při libovolném otočení - těleso vychýlením převrhnu
obraz, břemeno na háku, kabát, houpačka … kolo auta, vrtule, tyčová houpačka … provazochodec, stojící člověk, ručička hodin na 12, …

Ukázky: šikmá plechovka

Úkol: najdi těžiště České Republiky pomocí vystřižené mapky bílá, řeky, sídla.


Tření (smykové)

je síla působící proti směru pohybu.
(stejně velkou silou táhnu těleso)
Je způsobeno:
- nerovnostmi povrchu tělesa (drsné povrchy)
- přitažlivostí molekul obou těles (hladké povrchy)

Tření nám pomáhá:
- běžný život: můžeme chodit, jezdit, brzdit, rukou udržet předmět, třením rozdělat oheň, zavázat tkaničky, nejezdí nábytek, vlákna drží pohromadě látku, papír,  zápalky,…
- práce: lze gumovat, psát, řezat, brousit, drží hřebíky, šrouby, zahřátí meteoritu…
Tření nám vadí:
- běžný život: brzdí pohyb (nutný pohon vozidla), obtížný posun nábytku, odřeniny,
- práce:
  zahřívání opracovaného předmětu, motoru,  opotřebení nářadí, pneumatik…


Jak upravit tření

menší tření:
- "uhladíme" nerovnosti povrchu: mazivo (olej, vazelína), mokrá plocha více klouže…
(mažeme: panty dveří)
- nahradíme valivým třením (má menší odpor): použití ložiska (kuličkové, válečkové) uchycení otáčivých částí (kola, volant, hřídel motoru …), bicykl (šlapky, kola, otáčení řídítek…), hřídel spotřebiče (mixér, vysavač, vrtačka…), yoyo …
větší tření:
- opora pro pohyb na kluzké ploše: pneumatika (guma)-asfalt, sněhové řetězy, posyp náledí, vzorek na pneumatice, podrážce, drážky na hřebíku

POZN: Aquaplaning - rychle jedoucí pneumatika klouže po louži (nestihne se protlačit vodou až na dno - proto se vzorek rozbíhá ke stranám pneumatiky).
Curling - leštění


Třecí síla závisí na:

- hrubosti povrchu třecích ploch (drsný - větší tření, hladký - menší tření)
- tlakové síle (tiskne těleso k podložce) (velká F - větší tření) - díky hmotnosti méně klouže autobus, vlak, formule přitlačená spoilerem
- velikosti styčné plochy
- rychlosti pohybu

Hypotéza = domněnka.
Kvůli tření nelze sestrojit
perpetuum mobile
Video spoiler formule: Technické divy světa - formule (13:40-21 min)


Odpor prostředí

je tření o částice prostředí (vzduchu, vody…), brzdí pohyb.
Snaha o menší odpor: aerodynamika dopravních prostředků (kapkový tvar auta), spoiler kamionu, formule, hladký povrch: sportovci (trikot, holení chlupů),  …
Snaha o větší odpor: padák, plachta lodi, přistávací klapky letadla, motorkář se napřímí - brzdí o vzduch …

POZN: u vozidel udáváme koeficient odporu cx - čím menší, tím menší odpor vzduchu.
POZN: "Vzduchový pytel": např: za jedoucím kamionem či závodníkem se mi jede lépe - "rozráží" mi vzduch.


Newtonovy zákony

Poznatky o běžném chování těles shrnul Isaac Newton do 3 zákonů:

Zákon setrvačnosti:
Těleso setrvává v klidu nebo rovnoměrném přímočarém pohybu, dokud jej síla (jiné těleso) nepřinutí tento stav změnit.
("letím" při nárazu auta, přetížení v letadle…)
Využití setrvačnosti: nasazení kladiva, klepání koberce, čištění ultrazvukem, pohyb rakety, střely, puku, bourání budov kyvadlem…
Zmírnění účinků setrvačnosti: airbag, nafukovací dopadový vak pro kaskadéry…
Malá setrvačnost: hmyz, vata …
Příliš velká setrvačnost: vlak, tanker …

děj vnější síla
zapůsobila na  
  vnější síla
nepůsobí na  
 co se stane
Nepřipoutaný řidič, auto narazí do stromu: auto nepřipoutaného řidiče řidič letí dál
Autobus zatočí, stojící člověk se nedrží: autobus cestujícího cestující upadne (do strany)
Dupnu o zem zablácenou botou: botu bláto bláto letí dál (opadá)
Stojící auto, řidič nemá opěrku hlavy.
Zezadu narazí auto.
auto + tělo řidiče hlavu hlava "cukne" dozadu -> zranění

POZN: Setrvává i v otáčivém pohybu (kolo…).
Ukázky: ubrus1, motorka, brzdná dráha


Zákon síly:
Působící silou ovlivníme pohyb tělesa.
Těleso pohybující se směrem ––> síla:
––> urychlí, uvede do pohybu
<–– zpomalí, zastaví
kolmá vychýlí z dráhy (zakřiví ji)
Větší síla způsobí větší změnu pohybu.
Využití: raketový motor, brzdy vozidla, retardér, kormidlo…

Zákon akce a reakce:
Působí-li silou jedno těleso na druhé, stejně velkou (ale opačnou) silou působí i druhé na první.
Já působím na židli - židle působí stejně velkou silou na mě.
Příklady: traktor - valník, hák - břemeno, pneumatika - silnice
Snaha omezit reakci: těžký kanón (lehčí náboj)…
Vzájemný pohyb: výstřel z pušky, vystupování z loďky, reaktivní pohon (letadlo, sépie, raketa, balónek), rotace vrtulníku…

Ukázky: sirková raketa+návod, další rakety

Otázky:
Proč při rozjíždění trolejbusu padá cestující dozadu? (Který zákon?)
Míčkem na podlaze vagónu se rozběhl dozadu. Co se děje s vlakem? (Který zákon?)
Nepřivázaná loďka - skočím na břeh. Co se stane? (Který zákon?)
Jaké (alespoň 3) účinky může způsobit hokejka na puk (při hře)? (Který zákon?)
2 akrobaté visí na 2 lanech. Jeden strčí do druhého akrobata. Co se s akrobaty bude dít? (Který zákon?)
 (Který zákon?)


Páka obrázky

je těleso (např. tyč) otočné kolem osy.

Druhy pák:

Každá síla chce otočit páku opačným směrem.

Velikost otáčivého účinku udává moment síly.

Páka je v rovnováze, když silová působení F1, F2 mají stejné účinky na svých ramenech
(momenty sil jsou stejně velké, navzájem opačné).

Pro rovnováhu na páce platí:

F1 . a1 = F2 . a2

(síla F1 působí na rameni a1)


Užití páky: páčidlo, kleště, klika dveří, oken, stavební kolečko, louskáček, otvírák, montážní klíč, pákové nůžky, pedál auta, řadící páka, rumpál, stanový kolík, páka heveru…

také nůžky, klika mlýnku, klíč (zamykání), kohoutek

PŘ-kámen: Na 2 m dlouhém rameni páčidla působím silou 300 N. Jak velkou silou zvedá kámen druhá strana (0,1 m dlouhá)?

F1 . a1 = F2 . a2
F1 . 300 . 2  = F2 . 0,1
300 . 2 / 0,1 = F2
6000 N = F2
Na kámen působím (prostřednictvím páky) silou 6000 N.
POZN: lze počítat obě ramena v jednotkách cm (tj. a1 = 200 cm, a2 = 10 cm).

Páku používáme proto, že s ní menší silou (po delší dráze) vyvolám působení větší síly (ta má kratší dráhu).
Práci si neušetříme, konáme ji ale výhodnější formou.

PŘ-houpačka: Pavel (45 kg) sedí na houpačce 2 m od osy. Jak daleko musí sedět Eva (40 kg), aby byli vyváženi?

Fp = 45.10 = 450 N
Fe = 40.10 = 410 N
ap = 2 m
ae = ?  m                
Fp.ap = Fe.ae
450.2 = 400.ae
900 = 400.ae
900:400 = ae
2,25 m = ae
Eva musí sedět 2,25 m od osy. 

PŘ-kolečko:Stavební kolečko má držadla 1,8 m od osy kola. Jak velkou silou povezu 36 kg písku? (jeho těžiště je 0,5 m od osy kola)

a1 = 1,8 m
a2 = 0,5 m
F2 = 36.10 = 360 N
F1 = ?  N               
F1 . a1 = F2 . a2
F1.1,8 = 360.0,5
F1.1,8 = 180
F1 = 180:1,8
F1 = 100 N
Drždla kolečka zvedám silou 100 N.

PŘ-otvírák:Jak velkou silou sundá otvírák víčko láhve, otevírám-li já silou 10 N ve vzdálenosti 12 cm od osy? (víčko je 1,2 cm od osy)

PŘ-kleště: Jak velkou silou přeštípnou kleště (štípačky) drát, když na držadle 20 cm působím silou 100 N? (čelist kleští - 4 cm)

PŘ-kleště: Jak velkou silou páčím šroubovákem víčko plechovky (držím 15 cm od osy), když na víčko působí šroubovák silou (1 cm od osy)?

a1 = 0,5 cm
a2 = 15 cm
F1 =  180 N
F2 = ? N                
F1 . a1 = F2 . a2
180.0,5 = F2.15
90 = F2.15
5 N  = F2
Šroubovákem páčím silou 5 N.

POZN: Točivý (kroutící) moment motoru = síla, kterou by motor působil na konci 1 m dlouhé kliky (točivý moment a otáčky, porovnání momentů).

Ukázky: pákový prak


Kladka obrázky

Je volně otočné kolo s provazem.
Na oba konce provazu působí stejně velké síly.

                   

          
Kladkostroj = soustava 2 a více kladek.
Výhody kladky:
- mohu působit stejnou silou, ale vhodnějším směrem (dolů): stavební kladka…
- mohu působit menší silou, ale po delší dráze: těleso táhne za "více lan" - jeřáb, výtah, napnutí drátů na železnici…

POZN: Lano je napínáno po celé délce stejnou silou.
POZN: Práce vykonaná pomocí kladky je stejná, jako práce bez kladky.

 

     

Využití kladky: jeřáb, výtah, lanovka, vlek, studna (rumpál), odtahovka, napnutí drátů (lanovky, troleje), závěs nohy (v nemocnici)…


Laboratorní práce - kladka

Tlak

Proč se lyžař do sněhu nezaboří tak, jako chodec?
Tlaková síla = síla, která vyvolá tlak (působí kolmo na plochu).

Tlak je fyzikální veličina.
Značka: p (press)
Jednotka:
Vedlejší jednotky:
1 Pa (Pascal)
kPa, MPa

POZN: Blaise Pascal - francouzský fyzik, vědec.
POZN: 1 Pa = 1 N/m2 (síla 1 N působí na 1 m2) - velmi malý tlak
Porovnání tlaků (obrázky).


Hřebík (vodorovně) mezi prsty - proč při stisku bolí jen 1 strana?
Výpočet tlaku:

p = F
–––
S

p = tlak (~efekt), který vyvolá síla F když působí na plochu S.

F je tlaková síla.

PŘ: Jakým tlakem působí na silnici pneumatiky vozu těžkého 1,2 t?
(jedna pneumatika se dotýká plochou 2 dm2)
S = 8 dm2 = 0,08 m2; m = 1,2 t = 1200 kg; p = ? Pa
Fg = m.g
Fg = 1200.10
Fg = 12 000 N

p = F/S
Kvádr 20×10×5 cmp = 12000/0,08
p = 150 000 Pa = 150 kPa
Pneumatiky vozu působí na vozovku tlakem 150 kPa

PŘ: jakým tlakem působí na zem 3 kg těžká dlaždice? (viz obr - 20×10×5 cm)
S = 10×20 = 200 cm2 = 0,02 m2; m = 3 kg; p = ? Pa

p = F/S
p = 30/0,02
p = 1500 Pa = 1,5 kPa
Fg = m.g
Fg = 3.10
Fg = 30 N

Dlaždice působí tlakem 1,5 kPa.

PŘ: Jakým tlakem působí slon (těžký 5 t, plocha 1 chodidla 12 dm2 obr,)
S
= 4×12 dm2 =48 dm2 = 0,48 m2; m = 5 t = 5000 kg; p = ? Pa

p = F/S
p = 50 000/0,48
p 104 000 Pa = 104 kPa
Fg = m.g
Fg = 5000.10
Fg = 50 000 N

Slon působí nohou tlak 104 kPa.

PŘ: Jakým tlakem působí jehlový podpatek 60 kg slečny (plocha podpatku 1,5 cm2, nese asi polovinu hmotnosti, druhou polovinu nese špička nohy)
S
= 2×1,5 cm2 =3 cm2 = 0,0003 m2; m = 60 kg; p = ? Pa

Fg = m.g
Fg = 30.10          
(polovina hmotnosti spočívá na špičkách, polovina na podpatcích)
Fg = 600 N

p = F/S
p = 300/0,0003
p = 3 000 000 Pa = 3 MPa
Slečna působí jehlovým podpatkem tlak 3 MPa.

PŘ: Jakým tlakem působí na zem podstavec sloupu (3 kvádry 0,6×0,6 m) těžkého 2,16 t?

Snížení tlaku:
- větší plochou: pásy (buldozer, rolba), široké pneumatiky (traktor), lyže, sněžnice, plovací blány ptáků, lehni na praskajícím ledě, náprstek na šití, více kol tahačů…
- menší silou: lehké terénní vozidlo
Zvětšení tlaku:
- menší plochou: ostří nože, jehly, injekční jehly, drápy, zuby (žralok), tretry, vzorek terénních pneumatik…
- větší silou: lis na moštování, lis na plech…

Ukázky: Rande s fyzikou

Kola vozidel na měkké pole (traktoru…) musí splňovat 2 požadavky - jaké? (jeden velký, jeden malý).l


Ukázky: odstředivá síla - sklenka při přemetu, rozstřikovadlo.