Физика • 7 класс § 31

§ 31. Сложение двух сил, направленных по одной прямой. Равнодействующая сил

Учебник: Физика. 7 класс (А. В. Пёрышкин, А. И. Иванов). Программа ФГОС.
К разделам:

Термины и понятия параграфа 5

Термин Физика • 7 класс § 31

Равнодействующая сил

сила, которая производит на тело такое же механическое действие (сообщает такое же ускорение или вызывает идентичную деформацию), как несколько одновременно действующих на него сил.

  • 1. Физический смысл — замена реальной совокупности сил одной эквивалентной силой позволяет существенно упростить расчет механического движения тел.
  • 2. Обозначение и единица измерения — обозначается вектором $\vec{R}$ (или $\vec{F}_{\text{равн}}$) и измеряется в Международной системе единиц (СИ) в ньютонах ($\text{Н}$).
Термин Физика • 7 класс § 31

Сложение сил, направленных по одной прямой в одну сторону

математическое и графическое определение результирующей силы для двух сонаправленных сил $\vec{F}_1$ и $\vec{F}_2$.

  • 1. Направление равнодействующей — вектор $\vec{R}$ сонаправлен с действующими силами.
  • 2. Модуль равнодействующей — равен арифметической сумме модулей действующих сил:

$$R = F_1 + F_2$$

  • 3. Экспериментальное подтверждение — подвешивание к вертикальной пружине двух грузов весом $1\ \text{Н}$ и $2\ \text{Н}$ вызывает такое же растяжение пружины, как подвешивание одного суммарного груза весом $3\ \text{Н}$.
Термин Физика • 7 класс § 31

Сложение сил, направленных по одной прямой в противоположные стороны

нахождение результирующей силы для двух сил $\vec{F}_1$ и $\vec{F}_2$, действующих вдоль одной оси в противоположные стороны.

  • 1. Направление равнодействующей — вектор $\vec{R}$ всегда направлен в сторону большей по модулю силы.
  • 2. Модуль равнодействующей — равен абсолютной разности модулей действующих сил:

$$R = |F_2 - F_1| \quad (\text{если } F_2 > F_1,\ \text{то } R = F_2 - F_1)$$

  • 3. Экспериментальное подтверждение — если на опорный столик динамометра давит вниз груз силой $5\ \text{Н}$, а прикрепленная к нему нить тянет столик вверх с силой $2\ \text{Н}$, прибор регистрирует результирующую силу $3\ \text{Н}$, направленную вниз.
Термин Физика • 7 класс § 31

Уравновешенные (скомпенсированные) силы

совокупность сил, одновременно действующих на тело, векторная сумма которых равна нулю.

  • 1. Условие взаимной компенсации двух сил — две силы должны быть приложены к одному телу, действовать вдоль одной прямой, иметь строго одинаковый модуль ($F_1 = F_2$) и быть направленными в противоположные стороны ($\vec{F}_1 = -\vec{F}_2$).
  • 2. Модуль равнодействующей — равен нулю:

$$R = F_1 - F_2 = 0\ \text{Н}$$

Термин Физика • 7 класс § 31

Механическое равновесие тела

состояние материального тела, при котором оно сохраняет состояние покоя либо прямолинейного равномерного движения.

  • 1. Связь с ускорением — под действием скомпенсированных сил ($R = 0$) ускорение тела равно нулю ($a = 0\ \text{м}/\text{с}^2$), скорость тела постоянна ($\vec{v} = \text{const}$).
  • 2. Примеры в природе и технике — книга покоится на горизонтальном столе под действием взаимно уравновешенных силы тяжести и силы упругости крышки стола; парашютист при установившемся снижении движется прямолинейно и равномерно, поскольку сила тяжести полностью скомпенсирована направленной вверх силой сопротивления воздуха.

Ответы на вопросы учебника 4

Вопрос учебника #1 Физика • 7 класс § 31

Сколько сил может действовать на тело? Приведите примеры.

На тело одновременно может действовать любое число сил — одна, две, три или множество сил, в зависимости от характера взаимодействия объекта с окружающими телами и физическими полями.

Примеры:

  • Две силы в покое: на лежащую на парте книгу действуют вертикально вниз сила тяжести со стороны Земли и вертикально вверх сила упругости со стороны деформированной опоры стола.
  • Две силы при движении: на каплю дождя в воздухе действуют сила тяжести, увлекающая её вниз, и сила сопротивления воздуха, направленная против движения вверх.
  • Три силы: на санки, равномерно скользящие по горизонтальному снегу от тяги веревки, действуют сила тяжести, сила нормальной реакции снежной опоры, сила натяжения веревки и встречная сила трения полозьев о снег.
  • Множество сил: на летящий пассажирский лайнер действуют распределенная сила тяжести конструкции, аэродинамическая подъемная сила крыльев, тяга реактивных турбин, силы лобового сопротивления воздуха и ветровые порывы.
Вопрос учебника #2 Физика • 7 класс § 31

Дайте определение равнодействующей сил.

Равнодействующей сил называют силу, которая производит на тело точно такое же действие, как несколько одновременно действующих на него сил.

Если на тело действуют силы $\vec{F}_1, \vec{F}_2, \dots, \vec{F}_n$, то их равнодействующая представляет собой геометрическую (векторную) сумму:

$$\vec{R} = \vec{F}_1 + \vec{F}_2 + \dots + \vec{F}_n$$

Вопрос учебника #3 Физика • 7 класс § 31

Чему равна равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой в одну сторону?

Равнодействующая двух сил, действующих вдоль одной прямой в одном и том же направлении:

  • Направлена в ту же самую сторону, в которую направлены слагаемые силы.
  • Имеет модуль, равный сумме модулей этих сил:

$$R = F_1 + F_2$$

Пример: если при перемещении тяжелого шкафа двое рабочих толкают его в одну сторону с силами $F_1 = 300\ \text{Н}$ и $F_2 = 400\ \text{Н}$, их общее усилие эквивалентно действию одной равнодействующей силы $R = 300\ \text{Н} + 400\ \text{Н} = 700\ \text{Н}$, направленной в сторону движения.

Вопрос учебника #4 Физика • 7 класс § 31

Может ли тело, на которое действуют две силы, находиться в равновесии? Объясните почему. Приведите пример.

Да, тело, на которое действуют две силы, может находиться в состоянии равновесия.

Физическое обоснование:

Для наступления равновесия необходимо, чтобы действующие на тело силы:

  • Действовали вдоль одной и той же прямой линии.
  • Были направлены в строго противоположные стороны.
  • Были равны между собой по модулю ($F_1 = F_2$).

В этом случае модуль равнодействующей равен разности модулей составляющих:

$$R = F_1 - F_2 = 0$$

Когда равнодействующая сила равна нулю, тело не получает ускорения ($a = 0$) и сохраняет состояние статического покоя либо прямолинейного равномерного движения по инерции.

Примеры:

  • В покое: люстра, подвешенная на цепи к потолку, неподвижна, так как сила тяжести $\vec{F}_{\text{тяж}}$, тянущая её вниз к Земле, полностью уравновешена силой упругости натянутой цепи $\vec{F}_{\text{упр}}$, направленной вверх.
  • В движении: парашютист после раскрытия купола при установившейся скорости снижается прямолинейно и равномерно, потому что сила тяжести скомпенсирована равной ей по величине силой сопротивления воздуха ($F_{\text{тяж}} = F_{\text{сопр}}$).