Co to jest siła bezwładności?, Notatki z Fizyka

Pobierz Co to jest siła bezwładności? i więcej Notatki w PDF z Fizyka tylko na Docsity!

Co to jest siła bezwładności i jakie są jej cechy?

Wprowadzenie Przeczytaj Grafika interaktywna Sprawdź się Dla nauczyciela

Czy to nie ciekawe?

Czy zastanawialiście się czasem, czemu podczas gwałtownego hamowania autobusu wszyscy jego pasażerowie są gwałtownie wypychani w kierunku jego jazdy? Albo dlaczego, w ruszającej w górę z dużym przyspieszeniem windzie, „coś” wciska nas w podłogę? Tym czymś jest siła bezwładności, której cechy omówimy w tym e‐materiale.

Twoje cele

poznasz pojęcie bezwładności, dowiesz się, że siła bezwładności jest siłą pozorną, zrozumiesz, z czego wynika pozorność siły bezwładności, zastosujesz poznane wzory, by określić siłę bezwładności działającą na dany obiekt.

Co to jest siła bezwładności i jakie są jej cechy?

Zauważmy przede wszystkim, że z punktu widzenia osoby na peronie nie zmieniło się zupełnie nic. Skoro siła tarcia działa jedynie na koła pociągu, oznacza to, że (zgodnie z zasadą bezwładności) ruch pasażera nie mógł ulec żadnej zmianie – i tak się stało! Wyobraźmy sobie sytuację, w której pasażer unosi się nad podłogą pociągu i nie ma z nim bezpośredniego kontaktu. Zauważymy wówczas, że pociąg, hamując, ucieka „do tyłu” pasażerowi cały czas poruszającemu się z tą samą prędkością!

A jak ta sytuacja wygląda w związanym z pociągiem nieinercjalnym układzie odniesienia, w którym znajduje się pasażer? W tym przypadku pasażer widzi, że zaczął poruszać się względem pociągu; musiała zatem pojawić się pewna siła, która spowodowała pojawienie się przyspieszenia i ruchu. Jest to właśnie siła bezwładności.

Fot. 1. Lądowanie samolotu F-18 C Hornet na pokładzie lotniskowca. Samolot zaczepia (albo - w razie nieudanego podejścia - nie zaczepia) hakiem o jedną z kilku stalowych lin na pokładzie i zostaje zatrzymany. Prędkość w ciągu kilku sekund spada o ok. 250 km/h, pilota w fotelu utrzymują pasy. [Źródło: U.S. Navy photo by Photographer's Mate 3rd Class Kristopher Wilson [Public domain]

Spróbujmy teraz określić cechy siły bezwładności. W tym celu wygodnie jest potraktować ją jako rzeczywistą siłę działającą na ciało i uwzględnić ją w obliczeniach wynikających z II

zasady dynamiki Newtona. Zasada ta mówi, że przyspieszenie , z jakim porusza się dane

ciało, jest proporcjonalne do działającej na nie siły wypadkowej i odwrotnie proporcjonalne do jego masy. Jej matematyczny zapis jest następujący:

.

Osoba znajdująca się na peronie widzi, że hamujący pociąg zaczyna „odjeżdżać pasażerowi

spod nóg” z przyspieszeniem. Pasażer znajdujący się w układzie nieinercjalnym widzi

→ a → F (^) w m

→ a =^ → F (^) w m

→ a

z kolei, że porusza się względem pociągu z pewnym przyspieszeniem. Aby obserwacje w układzie inercjalnym i nieinercjalnym dały ten sam fizyczny rezultat (przemieszczenie pasażera względem pociągu), to przyspieszenie, któremu podlega pasażer w układzie związanym z pociągiem, musi być co do wartości równe przyspieszeniu pociągu, widzianemu z układu inercjalnego, lecz przeciwnie skierowane (gdyż pociąg „ucieka do

tyłu”). Zatem przyspieszenie pasażera w układzie nieinercjalnym musi wynosić. Na podstawie II zasady dynamiki, siła bezwładności powodująca to przyspieszenie jest równa

Pozwala nam to na określenie wszystkich cech siły bezwładności działającej na dane ciało.

Jej wartość wynosi , gdzie jest przyspieszeniem, z jakim porusza się układ nieinercjalny, w którym znajduje się ciało. Znak minus przy wektorze przyspieszenia oznacza, że siła bezwładności jest skierowana przeciwnie do kierunku przyspieszenia układu.

Możemy teraz podsumować naszą wiedzę na temat siły bezwładności. Przeprowadzone powyżej rozumowanie dotyczyło pasażera w hamującym pociągu, jednak równie dobrze moglibyśmy przeprowadzić je dla pociągu rozpędzającego się lub jadącego po łuku, czyli w każdej sytuacji, gdy ruch pociągu scharakteryzowany jest przez niezerowy wektor przyspieszenia. W każdej takiej sytuacji staje się on układem nieinercjalnym, co oznacza, że na wszystkie obiekty znajdujące się wewnątrz działać będzie siła bezwładności.

Podsumowując: siła bezwładności

występuje jedynie w układach nieinercjalnych; jej wartość wynosi , gdzie jest przyspieszeniem, z jakim porusza się układ nieinercjalny względem inercjalnego; jej zwrot jest przeciwny do zwrotu przyspieszenia układu obserwowanego z układu inercjalnego.

Słowniczek

Układ odniesienia

( ang.: frame of reference) ciało, względem którego prowadzona jest obserwacja otaczających zjawisk, wyposażone w układ współrzędnych i zegar.

Układ inercjalny

( ang.: inertial frame) układ odniesienia, w którym wszystkie ciała nieoddziałujące z innymi ciałami poruszają się ze stałą prędkością (w szczególności równą zero), tj. ruchem jednostajnym prostoliniowym.

−→ a

F^ → (^) b = −m→a.

ma → a

Fb = ma a

Grafika interaktywna

Co to jest siła bezwładności i jakie są jej cechy?

Pobaw się przedstawioną grafiką interaktywną, pokazującą przyspieszający statek i ślizgającą się po jego pokładzie skrzynię, którą obserwuje nieruchomy względem statku kapitan (obrazek po prawej stronie). Kwadrans wcześniej nieuważny majtek rozlał tran po pokładzie, więc ruch skrzyni odbywa się praktycznie bez oporów.

Na obrazku po lewej stronie widzimy wrażenia osoby stojącej na brzegu, patrzącej z boku na statek. Wpływ wiatru, fal, prądów morskich pomijamy.

Uwaga : Niektóre z wektorów, dla lepszej wizualizacji, przedstawiono w nierealistycznej skali. Długości wektorów sił i przyspieszeń nie są wyrażone, odpowiednio, w N i m/s.

1. STOP

2

Silniki zatrzymane. Skrzynia nie przesuwa się po pokładzie.

2. PÓŁ NAPRZÓD

Maksymalna moc silników. Statek przyspiesza do przodu. Skrzynia zaczyna ruch w kierunku rufy statku.

4. PÓŁ WSTECZ

Statek przyspiesza wstecz. Skrzynia zaczyna ruch w kierunku dziobu statku.

5. CAŁA WSTECZ

Polecenie 2

W samolotach myśliwskich, wykonujących często ciasne wiraże albo poruszających się po łukach w płaszczyźnie pionowej (np. podczas wykonywania tzw. pętli), pilot szczególnie dotkliwie odczuwa efekty bezwładności. Zastanów się, po co w spodniach kombinezonów stosuje się kompresory, które - w przypadku silnych przeciążeń - zaciskają się na nogach pilota.

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia: 輸 醙 難

Ćwiczenie 1

Wybierz prawidłowe stwierdzenia dotyczące siły bezwładności.

Siła bezwładności na pewno pojawi się w układzie poruszającym się ruchem po okręgu ze stałą prędkością.

Siła bezwładności działa tylko w układach poruszających się ze stałą prędkością.

Siła bezwładności działa w układach inercjalnych.

Siła bezwładności działa w układach nieinercjalnych.

Ćwiczenie 2

Wybierz nieprawdziwe stwierdzenia dotyczące siły bezwładności.

Siła bezwładności jest, co do wartości, równa sile wypadkowej działającej na układ.

Siła bezwładności działa na ciało w takim samym kierunku jak przyspieszenie układu.

Siła bezwładności jest siłą rzeczywistą i wynika z jednego z oddziaływań między ciałami.

Siła bezwładności powstaje na skutek tendencji ciał do zachowywania swojej prędkości, w przypadku gdy nie działa na nie żadna siła.

Ćwiczenie 5

Jeżeli na kierowcę samochodu działa siła bezwładności o wartości = 200 N wypychająca go z fotela, to z jakim przyspieszeniem porusza się samochód? Masa kierowcy wynosi = 80 kg. Jaki jest kierunek przyspieszenia, jeżeli prędkość samochodu jest skierowana w lewo (z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora)?

, skierowane w prawo

, skierowane w lewo

, skierowane w lewo

, skierowane w prawo

Fb m

a = 2,5 m/s^2

a = 2,5 m/s^2

a = 0,4 m/s^2

a = 0,4 m/s^2

Ćwiczenie 6 Pociąg w ciągu 10 sekund zmniejszył swoją prędkość z 72 km/h do 54 km/h. Ile wynosi wartość siły bezwładności działającej na pasażera o masie = 60 kg?

= N.

m

Fb

Ćwiczenie 7 W pewnej chwili kierowca samochodu o masie = 2000 kg wciska pedał gazu, w wyniku czego na samochód zaczyna działać dodatkowa siła ciągu wynosząca = 2500 N. Pozostałe siły działające na samochód nie ulegały zmianie. Jaka siła bezwładności będzie działać na kierowcę, jeżeli jego masa wynosi = 70 kg?

= 87,5 N

= 1600 N

= 46,7 N

= 3000 N, taka sama, jak siła działająca na samochód

M Fc

m

Fb

Fb

Fb

Fb

Ćwiczenie 8

Wykaż, że wartość siły bezwładności działającej na siedzącego w hamującym pociągu

o masie pasażera o masie wynosi , gdzie > jest wypadkową siłą działającą na pociąg.

→ F (^) b M m Fb = (^) Mm F

→ F

Uzupełnij

Podstawa programowa:

Cele kształcenia - wymagania ogólne I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. III. Planowanie i przeprowadzanie obserwacji lub doświadczeń oraz wnioskowanie na podstawie ich wyników. Zakres podstawowy Treści nauczania - wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

4. przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
5. przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; wyróżnia kluczowe kroki i sposób postępowania oraz wskazuje rolę użytych przyrządów i uwzględnia ich rozdzielczość; II. Mechanika. Uczeń:
6. rozróżnia układy inercjalne i nieinercjalne; posługuje się pojęciem siły bezwładności. Zakres rozszerzony Treści nauczania - wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
7. przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
8. przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; planuje i modyfikuje ich przebieg; formułuje hipotezę i prezentuje kroki niezbędne do jej weryfikacji;
9. opisuje przebieg doświadczenia lub pokazu; wyróżnia kluczowe kroki i sposób postępowania oraz wskazuje rolę użytych przyrządów i uwzględnia ich rozdzielczość; II. Mechanika. Uczeń:
10. rozróżnia układy inercjalne i nieinercjalne; omawia różnice między opisem ruchu ciał w układach inercjalnych i nieinercjalnych; posługuje się pojęciem siły bezwładności.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się. kompetencje cyfrowe.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. rozumie, że siły bezwładności występują w układach nieinercjalnych.
2. określa cechy wektora siły bezwładności (ogólnie oraz dla konkretnych układów nieinercjalnych).
3. wykonuje i interpretuje doświadczenia obrazujące bezwładny i niebezwładny ruch ciał.
4. oblicza wartość siły bezwładności.

Strategie nauczania: strategia kształcenia wyprzedzającego

Metody nauczania:

• dyskusja,
• eksperyment,
• analiza pomysłów.

Formy zajęć: praca w grupach

Środki dydaktyczne:

pęk kluczy (najlepiej długich), stół, obrus, talerz (cięższy - nie plastikowy); w innym wariancie: stół, deska, wózek o małym tarciu

Materiały pomocnicze: brak

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Wzbudzenie ciekawości - nauczyciel prosi uczniów, by spróbowali wymyślić sposób ściągnięcia ze stołu obrusa bez przesuwania i podnoszenia stojących na nim naczyń. Nauczyciel zadaje pytanie sprawdzające, czy uczniowie pamiętają pojęcie siły i zasady dynamiki.

Faza realizacyjna:

1. Prezentacja bezwładności w eksperymencie. Do eksperymentu potrzebny jest stół z obrusem, na którym stoi talerz. Nauczyciel wyciąga obrus spod talerza szarpiąc go szybkim ruchem. Uczniowie obserwują, że położenie talerza nie uległo zmianie.