סיכום -כוחות ותנועה
Transcription
סיכום -כוחות ותנועה
כוחות ושינוי .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 אינטראקציה מוגדרת כפעולה הדדית בין שני גופים. יש אינטראקציות במגע ויש אינטראקציות ממרחק. האינטראקציות ממרחק הן רק אינטראקציות בהן מעורבים כדור הארץ ,קטבים מגנטיים ומטענים חשמליים .כל שאר האינטראקציות הן רק במגע! גוף אינו יכול להיות באינטראקציה עם עצמו! ולכן ,גוף אינו יכול להניע את עצמו .אם אנחנו יודעים שגוף מתחיל לנוע -הגורם לכך חייב להיות גוף אחר! בין שני גופים יכולה להתקיים (בו-זמנית) יותר מאינטראקציה אחת .לדוגמא ,שני מגנטים המונחים זה על גבו של זה (אינטראקציה במגע ואינטראקציה מגנטית). גודלו של כוח מוגדר כעוצמת האינטראקציה .באינטראקציה פועלים שני כוחות השווים בגודלם ,מנוגדים בכיוונם ,ופועלים על גופים שונים (החוק השלישי של ניוטון). הכוח הנורמלי (שמפעילה הרצפה כלפי מעלה) וכוח החיכוך הם כוחות שחייבים להניח את קיומם כדי להסביר מדוע גוף שנמשך על רצפה לא משנה את מהירותו בכיוון הכוח שפועל עליו. שינוי מהירותו של גוף נגרם אך ורק כתוצאה מהכוחות הפועלים עליו (החוק השני של ניוטון) ולא בגלל הכוחות שהוא מפעיל על גופים אחרים! תוצאות האינטראקציה תלויות במאפייני הגופים .אותו כוח יכול לגרום לתוצאות שונות כאשר הוא פועל על גופים שונים הבנויים מחומרים שונים ו/או בממדים שונים (לדוגמא קטר רכבת ומכונית עשויים מאותו חומר (ברזל) אך הם בעלי ממדים שונים) . כוח החיכוך חיכוך הוא כוח הקיים בין משטחים צמודים הנעים זה לעומת זה ,או ה"מנסים "לנוע ,כלומר נדחפים או נמשכים ,זה יחסית לזה .חיכוך בין גופים יכול להתקיים רק במגע ויכול לקבל ערכים שונים עד לערך מקסימאלי מסוים. ישנם מצבים בהם החיכוך מפריע לתנועה ,וישנם מצבים בהם החיכוך מסייע לתנועה ומאפשר אותה דוגמאות לכוח חיכוך שמתנגד לתנועה: כדורגל המתגלגל על משטח מאיט ועוצר כתוצאה מכח החיכוך שמפעיל עליו המשטח. (אם לא היה כוח חיכוך ,הכדור היה ממשיך להתגלגל עד אינסוף). כאשר מנסים לדחוף שולחן והוא לא נע ממקומו דוגמאות לכוח חיכוך שמגביר תנועה: כאשר אדם הולך קדימה ,כף רגלו נדחפת לאחור ביחס לרצפה ולכן החיכוך פועל בכיוון ההפוך ,כלומר לפנים. בכל מקרה ,כיוונו של כוח החיכוך מנוגד לכיוון שבו נעים או" מנסים לנוע" המשטחים הבאים במגע זה ביחס לזה. כוח החיכוך תלוי בשני דברים: .1טיב המשטח -החומרים שהמשטחים עשויים מהם .2גודל המסה קובע את גודל החיכוך הפועל על הגוף. סכנת החלקה גדלה על כביש רטוב .שמני סיכה יכולים להקטין חיכוך. מבנה גוף מתאים יכול להקטין חיכוך בתווך נוזל או גז ,ולהקל בתנועה משקל ומסה המשקל של גוף מוגדר ככוח הכבידה שמפעיל גרם שמיים על הגוף הנמצא עליו או בקרבתו .כוח הכבידה המופעל על גוף הנמצא על גרם שמיים מסוים הוא תמיד קבוע וכיוונו כלפי מטה ,ולכן משקלו של גוף על פני גרם שמיים מסוים קבוע. 1 את המשקל מודדים בעזרת מד-כוח הנקרא גם "מד-משקל" .קיים קשר הדוק בין מסה )(m למשקל ) (Wבגרמי השמים השונים (כולל כמובן כדור הארץ) .בכל גרם שמימי קיים פקטור- מקדם ) (gהקושר בין המסה ) (mלמשקל ( (Wבאופן הבא.W=mg : למרבית הגופים הנמצאים על כדור הארץ המשקל שווה למשקל הנמדד על ידי מד הכוח ,וזאת בתנאי שהכוחות היחידים הפועלים על הגוף בכיוון האנכי הם כוח המשיכה כלפי מטה והכוח שמפעילים המאזניים /רצפה כלפי מעלה. הפקטור gקשור במימדי הגרם השמימי ובצפיפותו .פקטור זה נקרא גם "תאוצת הכובד" ,ובכדור הארץ ערכו של gהוא כ 10 -ניוטון לק"ג ( .)N/kgלעומת זאת בירח g=1.6 N/kgובכוכב הלכת צדק ערכו מגיע ל 25 -ניוטון לק"ג .לכן משקלו של גוף על פני כדור הארץ שמסתו 1ק"ג הוא 10 ניוטון 1.6 ,ניוטון על פני הירח ו 25 -ניוטון על "פני" צדק (צדק הוא כוכב גזי וחסר "פנים" במובן הקלאסי). בשוני מהמשקל ,המסה אינה משתנה בגרמי השמים השונים הכוח החשמלי והכוח המגנטי המבנה החשמלי של החומר- כאשר לשני חלקיקים טעונים חשמלית מטען חשמלי בעל סימן זהה (שניהם חיוביים או שניהם שליליים) ,קיים ביניהם כוח דחייה חשמלי ,ואילו כאשר המטענים בעלי סימנים מנוגדים (האחד שלילי והאחר חיובי) ,קיים ביניהם כוח משיכה חשמלי. כוחות המשיכה והדחייה בין חלקיקים טעונים מתבטאים בתופעות אלקטרוסטאטיות :כאשר משפשפים גופים העשויים מחומרים מבדדים בחומרים כמו צמר ,משי או נייר ,הגופים נטענים במטען חשמלי .כאשר מקרבים גופים טעונים זה לזה ניתן להבחין בכוחות משיכה ודחייה הפועלים ביניהם .ההסבר לתופעות אלה על פי מודל האטום מבוסס על תכונת הניידות של אלקטרונים ויונים :כאשר משפשפים חומרים שונים זה בזה, אלקטרונים נתלשים מאחד החומרים ומועברים לחומר האחר .בחומר ממנו 1מד-המשקל ,המודד כוחות ,מתרגם על פי רוב את משקל הגוף למסה ומציג אותה ביחידת המסה ק"ג. נתלשו האלקטרונים נותר עודף מטענים חיוביים ,ובחומר שאליו הועברו - האלקטרונים נוצר עודף של מטענים שליליים. במקרה של תמיסות מדובר בהעברה של יונים (חיוביים או שליליים) אשר נעים לכיוון אלקטרודה עם מטען הפוך (שלילי או חיובי). גוף טעון יכול לגרום להפרדת מטענים (קיטוב) בגוף ניטראלי הנמצא בקרבתו .עקב כך פועלים כוחות משיכה בין הגוף הטעון והגוף הניטראלי – שאינו טעון (לדוגמה משיכה בין גוף טעון לפיסות נייר) .תופעה זו מכונה השראה אלקטרוסטאטית. מטען חשמלי מהו מטען חשמלי? התופעות הקשורות במטענים חשמליים מוכרות לאדם מזה אלפי שנים .אבל מהו בעצם מטען חשמלי? מאחר שאיננו יכולים לראות מטען חשמלי או לחוש בו באחד מחושינו ,רבים מתקשים במענה על שאלה זו .מייחסים מטען חשמלי לחלקיקים זעירים ,כמו אלקטרונים ופרוטונים, שלא ניתן לראותם .מטען חשמלי ,כמו אורך ,זמן ומסה ,הוא גודל יסודי שאי אפשר להגדירו בעזרת גדלים אחרים ,בסיסיים יותר .במקרה של אורך למשל ,נוהגים להגדיר אותו על פי שיטת המדידה (הגדרה אופרטיבית) :אורך הוא מה שמודדים בעזרת סרגל .כמו שאפשר להגדיר אורך על פי האופן שבו מודדים אותו ,כך גם לגבי מטען חשמלי :ניתן להגדיר מטען חשמלי באמצעות המדידה של סטיית המחוג במכשיר האלקטרוסקופ (אלקטרו=חשמל; סקופ=לראות ,כלומר" -מראה המטען"). טעינה ופריקה טעינה חשמלית היא פעולה המביאה לשינוי במספר האלקטרונים בגוף (עודף או חסר באלקטרונים) .הטעינה הופכת גוף ניטראלי לגוף טעון. ניתן לבצע טעינה חשמלית :א .על ידי שפשוף גופים העשויים מחומרים שונים (מתבטא בתופעות אלקטרוסטטיות) .ב .על ידי חיבור למקור חשמלי חזק .ג .על ידי השראה. פריקה חשמלית היא הפעולה ההפוכה לטעינה ,המביאה להפיכת גוף טעון לגוף ניטראלי מבחינה חשמלית .בעת הטעינה או הפריקה משתנה חלוקת כמות האלקטרונים בין הגופים ,אך אין יצירה או העלמות של מטענים. פריקה יכולה להיעשות על ידי הוספה של המטענים השליליים החסרים לגוף הטעון חיובית (למשל מעבר אלקטרונים מהאוויר או מגוף בסביבה) ,או על ידי הרחקת המטענים השליליים העודפים מהגוף הטעון שלילית (למשל מסירת אלקטרונים לאדי מים באוויר או לאדמה שהגוף מחובר אליה). פריקה במעגל חשמלי :כאשר במעגל פתוח מנתקים את ההדקים מהמקור ומחברים אותם זה לזה ,יש זרימה למשך זמן קצר בכיוון הפוך לזרם הטעינה – זהו "זרם הפריקה" שניתן להסבירו בכך שהאלקטרונים שהצטברו בקצה השלילי דחו זה את זה וזרמו חזרה. כוח לעומת אנרגיה אנרגיה וכוח הם מושגים פיזיקליים שונים: לכוח יש כיוון ולאנרגיה – אין. הכוח אינו נשמר והאנרגיה נשמרת. אפשר להרוויח (לחסוך) כוח ,אך אי אפשר להרוויח אנרגיה. אנרגיה יכולה להיות פוטנציאלית וכוח -לא :או שהוא פועל או שאינו פועל. במקרים רבים אנרגיה מלווה בכוח ,אלא שלא בכל הפעלת כוח יש צורך באנרגיה .אנרגיה אינה יכולה להתגלגל לכוח ,אלא אך ורק לאנרגיה אחרת. אנרגיה אינה הגורם לכל דבר ,עם אנרגיה אפשר לבצע עבודה ו/או לגרום למעבר חום. אנרגיה אינה הולכת לאיבוד ,אפשר לגלגל אנרגיה ולבזבז אנרגיה אך כמותה הכללית נשמרת. כמות האנרגיה המושקעת = כמות האנרגיה המנוצלת +כמות האנרגיה המבוזבזת. המנוף והמישור המשופע כמגבירי כוח א .מנופים מנופים הם מכונות המאפשרות לנו להרים משאות כבדים לגובה היכול להיות גדול מאוד (לדוגמא עגורן) .האדם החל להשתמש במנופים לפני זמן רב .ארכימדס (מאה 3לפנה"ס) טען שהוא יכול להרים אפילו את כדור הארץ בתנאים מסויימים. המנוף הפשוט ביותר הוא נדנדה :כאשר מפעילים כוח כלפי מטה ( (F1על הנדנדה בצידה האחד, מופעל כוח כלפי מעלה ) (F2בצידה השני של הנדנדה .האיור הבא מדגים זאת עם פירוט חלקי הנדנדה. F1 F2 זרוע ימין זרוע שמאל d2 d1 נקודת משען (ציר) באיור ניתן להבחין כי הנדנדה כוללת שתי זרועות ונקודת משען אחת ביניהן .כאשר זרוע שמאל שווה לזרוע ימין ) ,(d1=d2שווים גם הכוחות ).(F1=F2 ניתן לנצל את השיוויון הזה בכוחות ולבנות מאזניים שבעזרתם ניתן להשוות בין שתי מסות. מסה ידועה מסה נמדדת כאשר הזרועות אינן שוות ) ,(d1 ≠ d2גם הכוחות אינם שווים ) (F1≠F2אך קיים יחס הפוך בין אורכי הזרועות משני צידי נקודת המשען לגודל הכוחות המתקבלים .עיקרון זה נקרא "חוק המנוף" :כאשר מפעילים כוחות על המוט משני עברי נקודת המשען (למשל ,תולים שני גופים), במצב של שיווי משקל מכני ,מתקיים שיוויון בין מכפלת הכוחות במרחקיהם מנקודת המשען (או המרחק מציר הסיבוב) .F1d1=F2d2 באופן מעשי ,תפקידו העיקרי של המנוף הוא "רווח כוח" ,כלומר ,ניתן לקבל כוח גדול ) (F2ע"י הפעלת כוח קטן ) (F1תוך שימוש באורכי זרועות שונים ,כפי שיתואר בהמשך .למנופים יכולות להיות צורות מגוונות ולעיתים קשה לזהות באופן מיידי את כל חלקי המנוף שתוארו לעיל ( שתי הזרועות ונקודת המשען). ניתן להבין את העיקרון הפיזיקאלי עליו מבוססת פעולת המנוף ("חוק המנוף") בעזרת המושג "עבודה" ,אך עניין זה חורג ממסגרת ערכה זו. סוגי מנופים קיימים שלושה סוגים עיקריים של מנופים (אורך החיצים המלאים באיורים הבאים מציינים את גדלי הכוחות היחסיים): .1מנוף שנקודת המשען שלו נמצאת בין קצוות המוט .לדוגמא :פלייר ,מספריים .הכוח הפועל (החץ הימני ) F1יכול להיות מופעל ע"י האדם באופן ישיר או ע"י מנוע .הכוח המופעל על המשא, F2גדול יותר ,כלומר יש "רווח כוח". F2 F1 משא כוח d2 דוגמא :מספריים -שני מנופים המחוברים בציר. שני הכוחות שמופעלים d1 נקודת משען (ציר) F2 F1 F2 F1 שני הכוחות שמפעיל האדם נקודת משען (ציר) .2מנוף שנקודת המשען שלו נמצאת באחד הקצוות שלו והכוח מופעל בקצה האחר .המשא אותו מרימים נמצא בין נקודת המשען לכוח המופעל (ראו איור) .לדוגמא :מפצח אגוזים ,מפתח צינורות ,מריצה ,ברז עם ידית. דוגמא :מפצח אגוזים כוח משא זרוע המשא הכוח הפועל זרוע הכוח (ש .זגורי) .3מנוף שנקודת המשען שלו סמוכה לנקודת הפעלת הכוח והמשא נמצא רחוק יותר (ראו איור). לדוגמא :מלקטת (פינצטה)