DANE INFORMACYJNE

2. DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Gimnazjum nr 1 w Wagrowcu/ Samorządowe Gimnazjum im. Jana Pawła II w Kożuchowie • ID grupy: • 98/58_mf_g1 / 98/26_mf_g1 • Opiekun: • Lucyna Czarnecka / Alicja Gruzło • Kompetencja: • matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: • Siłą fizyki jest siła • Semestr/rok szkolny: 2011/2012

3. Składanie sił. Wypadkowa i równoważąca. Czy siły składowe mogą przewyższyć siłę wypadkową? Pojęcie siłyzwiązane jest z wy(sił)kiem, czyli — jak to ujęli autorzy książki pt. „Ewolucja fizyki” (Albert Einstein i Leopold Infeld) — wrażeniem mięśniowym. Siła powoduje różne zmiany zachodzące w przyrodzie, choć kojarzy nam się najczęściej ze sportowcami podnoszącymi sztangę czy ludźmi przesuwający ciężkie przedmioty.

4. Na ciało może działać jednocześnie więcej niż jedna siła. W takiej sytuacji wpływy od wszystkich sił – składników dokładają się do siebie i w efekcie otrzymujemy pewien efekt sumaryczny ich działania. Ten efekt połączonych sił ze sobą jest jakby nową siłą zastępczą i nazywany jest siłą wypadkową. Siła wypadkowa zastępuje działanie wszystkich sił na raz. *Siły działające wzdłuż tego samego kierunku i mające ten sam zwrot - siła wypadkowa jest sumą sił składowych (wartości sił dodają się)

5. *Siły działające wzdłuż tego samego kierunku, ale mające przeciwne zwroty-siła wypadkowa jest różnicą sił składowych (wartości sił odejmują się)

6. I ZASADA DYNAMIKI NEWTONA Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające na to ciało siły równoważą się, to ciało to pozostaje w spoczynku, lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

7. Doświadczenie 1 Montujemy statyw z krążkiem, doczepiamy odważnik (400g) Wartość pokazana na siłomierzu wynosiła połowę Fc, czyli 2N, a odważnik miał masę 400g.Siłomierz powinien wykazać 4N. Dlaczego tak nie jest? Ponieważ wartość została rozłożona na dwa sznurki. Wniosek: Siły składowe mogą znacznie przewyższyć siłę wypadkową.

8. Doświadczenie 2 Badamy kierunek siły wypadkowej sił zbieżnych a) drewniany klocek położono na stole z wbitą na środku pinezką. Przywiązano do niej dwie nici i zaczepiono siłomierze. Zaznaczono początkowe położenie klocka. Pociągnięto za siłomierze w różnych kierunkach. b) powtórzono doświadczenie kilkakrotnie zmieniając kąt jaki tworzą nici. Wniosek: Gdy siły składowe działają w różnych kierunkach, przemieszczenie klocka zwykle nie pokrywa się z żadnym z nich.

9. Doświadczenie 3 Dwie osoby biorą dwa końce liny lub sznura i stają tak, aby lina była naprężona. Przy stopach każdej z osób położone są flamastry, które posłużą do oznaczenia początkowego położenia. Na środku liny zawieszona zostaje apaszka. Obie osoby zaczynają ciągnąć linę, starając się przeciągnąć apaszkę poza swój flamaster. Jeśli w zabawie zastosowana została zasada fair play, to wygrała osoba, która była silniejsza. Osoby ciągnęły linę, działając siłami o tym samym kierunku, przeciwnych zwrotach i różnych wartościach.

10. Z wykonanych doświadczeń możemy wyciągnąć następujące wnioski: Ciało zmieni swoje położenie, jeśli zadziała na nie siła, jakiej nie równoważy żadna inna siła, czyli jeśli wypadkowa działających sił jest większa od 0. Jeśli jednak działające siły równoważą się, ciało pozostanie w spoczynku.

11. Jaki to rodzaj ruchu gdy działa stała siła? II zasada dynamiki Newtona.  Dynamika – dział mechaniki zajmujący się ruchem ciał materialnych pod działaniem sił. Ogólne zasady dynamiki sformułował Newton, w swoim dziele "Principia" – były to trzy zasady dynamiki rządzące ruchem ciał (punktów materialnych). Kinematyka (gr. kínēma "ruch") – dział fizyki zajmujący się badaniem geometrycznych właściwości ruchu ciał bez uwzględniania ich cech fizycznych (np.masy) i działających na nie sił. II ZASADA DYNAMIKI:(zasada która łączy kinematykę z dynamiką)

12. II ZASADA DYNAMIKI: (zasada która łączy kinematykę z dynamiką) Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się (czyli siła wypadkowa jest różna od zera), to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała. a- przyspieszenie; F- siła; m- masa.

13. Doświadczenie Do wykonania tego doświadczenia potrzebujemy: 10 cm cienkiej słomki do napojów, 5 m nici, balonika, dwóch krzeseł, nożyczek i taśmy klejącej. Ustawiamy krzesła w odległości ok. 4 m od siebie, a do oparcia każdego z nich przywiązujemy nitkę, którą wcześniej przewleczono przez słomkę. Słomkę natomiast ustawiamy w połowie długości nici. Następnie nadmuchujemy balon, zabezpieczając jego wylot, tak żeby powietrze nie uciekło i przyklejamy taśmą jego ściankę do słomki. Puszczamy balonik pozwalając, aby uciekło z niego powietrze. Obserwacja: Nadmuchany balon pozostanie w miejscu, dopóki nie wypuścimy z niego powietrza. Gdy zacznie ono uchodzić na zewnątrz, ciśnienie działające na wewnętrzne ściany balonu zacznie słabnąć, a siła nacisku przeniesie się w okolice ujścia powietrza, wprawiając balon w ruch. Znajdująca się na nitce słomka, do której balon został doczepiony, pozwoli z kolei na utrzymanie prostego toru ruchu. Wniosek: Doświadczenie pokazuje, że siła, która nie jest równoważona przez inną siłę, wprawia ciało w ruch.

14. Statyczny skutek działania siły. Badanie odkształcenia sprężyny. Siła sprężystości.  Gdy obserwujemy poruszające się ciała, widzimy, że mogą się one zachowywać w różny sposób — niektóre poruszają się po linii prostej z tą samą prędkością, inne zmieniają prędkość (przyspieszają, zwalniają), kierunek ruchu (skręcają) lub zwrot (zawracają).

15. Siły działają w przyrodzie Doświadczenie 1 Weź do ręki sprężynę i zacznij ją rozciągać, a potem ściskać. Co się stanie? Skoki na batucie są możliwe dzięki działaniu siły sprężystości.

16. Na skutek działania siły sprężystości sprężyna powraca do swojego • pierwotnego kształtu. • Skutki działania tej siły możemy nie tylko zobaczyć, ale i odczuć, • na przykład: • naciągając cięciwę łuku czy rozciągając gumę, • przy odbijaniu piłki tenisowej od rakietki, • podczas wyrzucanie skoczka z trampoliny, • przy wygięciu tyczki, za pomocą której sportowiec, • przeskakuje przez poprzeczkę.

17. Doświadczenie 2 Do wykonania tego doświadczenia potrzebujemy: statywu, sprężyny i kilku metalowych ciężarków. Sprężynę mocujemy pionowo na statywie, a na jej końcu wieszamy ciężarek. Co możemy zaobserwować?Następnie na sprężynie wieszamy kolejne ciężarki. Wniosek: Im więcej ciężarków wieszamy na sprężynie, tym bardziej się ona rozciąga.  Ciężarki rozciągają sprężynę dzięki działaniu siły sprężystości oraz siły grawitacji.

18. Dlaczego sprężyna rozciąga się do dołu? Jest to oddziaływanie siły grawitacji, która towarzyszy nam przez całe życie. Dzięki niej odczuwamy ciężar własnego ciała oraz innych przedmiotów wokół nas. Powoduje ona również spadanie kropel deszczu, liści z drzew, piłki rzuconej do góry, a także lądowanie skoczka narciarskiego. Ziemia przyciąga siłą grawitacji warstwę powietrza, zwaną atmosferą. Siły grawitacyjne działają między gwiazdami, Słońcem i planetami Układu Słonecznego, planetami i ich księżycami (np. Ziemia przyciąga Księżyc) oraz między Ziemią i ciałami, które się na niej znajdują.

19. Skutki działania sił: a) statyczne: skutkami działania sił są: stłuczona skorupka jajka, złamany kawałek kredy, podarta kartka papieru, ściśnięta piłka, rozciągnięta sprężyna. Dynamiczny skutek działania siły. Ciało zmienia prędkość i uzyskuje pęd.  Trwałe skutki działania sił: zatemperowane kredki, zgnieciona butelka i rozbite jajko.

20. b) dynamiczne: przemieszczenie deskorolki, pilka rzucona do kolegi, puszczony samochodzik po podłodze

21. Doświadczenie 1 Do piłeczki pingpongowej przyklejono nitkę długości ok. 40 cm. Wzięto szpulkę po niciach i przewleczono przez nią nitkę z piłeczką tak, aby piłeczka wisiała w odległości ok. 30 cm od szpulki. Przytrzymano jedną ręką koniec nitki, a drugą ręką szpulkę. Wprawiono piłeczkę w ruch. A teraz zaczęto ściągać koniec nitki do siebie cały czas utrzymując piłeczkę w ruchu. W tych doświadczeniach zauważamy zmianę ruchu: nadając piłce prędkość, którą inna osoba zatrzymała, łapiąc ją. Zmieniono miejsce, jadąc na deskorolce, a obserwatorzy mogli zobaczyć obracające się kółka deskorolki. Początkowo nieruchomy samochodzik nabrał prędkości podczas jazdy po podłodze. Piłeczka poruszała się po okręgu, a po skróceniu nitki, zaczęła poruszać się coraz szybciej po mniejszych okręgach. W każdej z tych sytuacji działała siła. Wniosek: Zatem pod wpływem sił następuje zmiana prędkości ruchu (wprawienie w ruch, zatrzymanie) oraz zmiana kierunku ruchu.

22. Pędjest wielkością wektorową. Kierunek i zwrot wektora pędu są zgodne z kierunkiem i zwrotem wektora prędkości ciała. Doświadczenie 1 Weź dwie takie same monety. Połóż je na płaskiej, poziomej powierzchni w odległości kilku centymetrów od siebie. A teraz uderz jedną z nich w drugą, starając się celować w jej środek. Powtórz doświadczenie, uderzając pierwszą monetą coraz mocniej. Wniosek: Uderzona moneta poruszyła się, natomiast uderzająca się zatrzymała. Jeśli zwiększy się siłę uderzenia, odskakująca moneta porusza się z większą prędkością. Monety mają tę samą masę, ale przy każdym uderzeniu inną prędkość. Zatem zmienia się ich pęd. Oznacza to, że monety przekazują sobie pęd — pierwsza, przekazując swój pęd drugiej, zatrzymuje się, natomiast druga, otrzymując pęd od pierwszej, zaczyna się poruszać. Im większą prędkość ma uderzające ciało, tym większy pęd uzyska ciało uderzane.

23. Przekazywanie pędu znalazło swoje zastosowanie w popularnych grach i zabawkach, np. gra w bilard, riki-tiki (nazywanej też klik-klak czy tiki-taki) lub w kołysce Newtona. Wykorzystajmy tę ostatnią do wykonania kolejnego doświadczenia. Doświadczenie 2 Odchyl jedną zewnętrzną kulkę kołyski Newtona. Następnie, powtórz doświadczenie, odchylając dwie kulki.

24. Ruch kulek w kołysce Newtona W doświadczeniu obserwujemy, że gdy odchylimy jedną kulkę i puścimy ją, wtedy uderzy ona w pozostałe, co spowoduje odskoczenie ostatniej kulki po przeciwnej stronie na końcu szeregu, przy czym jej wychylenie będzie podobne jak wychylenie pierwszej kulki. Podobnie dzieje się, gdy odchylimy i puścimy dwie kulki. Na końcu szeregu odskoczą również dwie kulki. Odchylenie kulek na początku szeregu kołyski Newtona powoduje odskoczenie takiej samej ilości kulek na końcu szeregu

25. Na podstawie powyższych doświadczeń możemy wyciągnąć następujący wniosek:  Ciała, które początkowo spoczywają, na skutek wzajemnego oddziaływania uzyskują pędy takie same co do wartości, lecz przeciwnie zwrócone. Całkowity pęd oddziałujących ciał (suma pędów) nie ulega zmianie. Zasada zachowania pędu Całkowity pęd układu oddziałujących ciał nie ulega zmianie, jeśli na ten układ nie działają siły zewnętrzne. pęd końcowy = pęd początkowy

26. To siły, które pojawiają się, gdy odkształcamy ciało o właściwościach sprężystości. Siła sprężystości jest reakcją na odkształcanie i "stara się" przeszkodzić w tym odkształcaniu ciała, aby wróciło ono do poprzedniego stanu. np. gdy rozciągamy sprężynę, to "coś" nam w tym przeszkadza - tym "cosiem" jest właśnie siła sprężystości. Im mocniej naciągamy sprężynę, tym mocniej ona nam przeszkadza. Jednostką sił sprężystości jest 1 N. Siła sprężystości

27. Odkształcenia sprężyste.W wielu przypadkach ciała ulegają odkształceniom sprężystym, to znaczy takim w których ciało odkształca się pod wpływem siły zewnętrznej, a następnie po jej zniknięciu ciało wraca do swojej pierwotnej postaci. Przykładem takich odkształceń są sprężyny. Odkształcenia sprężyste nawet w sprężynach zachodzą tylko w pewnym zakresie wartości siły odkształcającej. Wniosek: na każdy element odkształconego ciała działają dwie równoważące się siły. Jedna z nich to siła zewnętrzna powodująca odkształcenie ciała. Druga z nich to siła sprężystości. 

28. Odkształcenie sprężyste charakteryzuje się tym, że jego wielkość jest proporcjonalna do przyłożonej siły odkształcającej. Z równości wartości siły odkształcającej i siły sprężystości wynika proporcjonalność siły sprężystości do odkształcenia. Współczynnik sprężystości nosi nazwę stałej sprężystości. Wymiarem stałej sprężystości jest niuton na metr (N/m). Oznacza to, że sprężyna o stałej sprężystości równej 1 N/m pod wpływem siły 1 niutona zmienia swoją długość o 1 metr. Stała sprężystości

30. Przykład Sprężyna o długości l=50cm uległa wydłużeniu o 8cm pod wpływem siły o wartości 6 niutonów. Oblicz stałą sprężystości tej sprężyny.

31. Tarcie TARCIE– (opory ruchu) to całość zjawisk fizycznych towarzyszących przemieszczaniu się względem siebie dwóch ciał fizycznych (tarcie zewnętrzne) lub elementów tego samego ciała (tarcie wewnętrzne) i powodujących rozpraszanie energii podczas ruchu.

32. NEGATYWNE SKUTKI TARCIA - Bardzo szkodliwe jest tarcie występujące np. podczas lotu rakiety w atmosferze. Tarcie wywołane ścieraniem się zewnętrznej powierzchni rakiety i powietrza powoduje nie tylko hamowanie jej ruch, ale także rozgrzewanie rakiety do bardzo wysokiej temperatury. - powoduje ono zniszczenie trących się podczas ruchu elementów maszyn. W ten sposób zdzierają się osi i łożyska.

33. Pozytywne skutki tarcia • - Jest ono niezbędne, aby wprawić w ruch ciało będące w spoczynku lub zatrzymać to, które jest w ruchu. Wszyscy wiedzą, że trudno się poruszać po śliskim lodzie, trudno się także zatrzymać. Powodem tego jest małe tarcie. Z tego samego powodu zdarza się czasami, że koła lokomotywy lub samochodu obracają się w miejscu i nie poruszają pojazdu. Wtedy posypuje się szyny piaskiem. W ten sposób zwiększamy tarcie, które hamuje ruch pojazdu

34. - jest ono też niezbędne w prawidłowym • funkcjonowaniu sprzęgła w samochodzie, • bo to dzięki niemu możemy • łagodnie ruszyć samochodem. - gdyby nie tarcie, nie bylibyśmy w stanie utrzymać niczego w ręce. Jego działanie wykorzystuje się też przy obróbce różnych materiałów, np. kamieni szlachetnych.

35. - Także niektóre zwierzęta wykorzystują w życiu tarcie. • Gryzonie i zajęczaki muszą ciągle ścierać swoje stale rosnące • zęby, a gdyby nie było tarcia nie byłoby to możliwe.  - Niektóre mięczaki, np. ślimak, aby poruszać się, produkują śluz którego zadaniem jest zmniejszanie tarcia jego stopy z podłożem jednak gdyby nie tarcie jego poruszanie się nie byłoby możliwe. 

36. - rysując coś kredkami wykorzystujemy tarcie – gdyby nie było tarcia, nie moglibyśmy w ten sposób rysować.

37. JAK WYGLĄDAŁBY ŚWIAT BEZ TARCIA ? • Czy to możliwe, żeby na świecie nie występowało tarcie? Chyba, jednak nie, dlaczego?Przy prawie każdym ruchu występuje tarcie. Występuje między stykającymi się powierzchniami (ciałami fizycznymi).Na powierzchni każdego ciała znajdują się zagłębienia, które podczas przesuwania „zaczepiają się” wzajemnie. Nawet na szczególnie gładkich powierzchniach metali pod mikroskopem elektronowym widać nierówności (zawsze powierzchnie są chropowate).

38. Jak widać bez tarcia niemożliwe byłoby swobodne poruszanie (chodzenie), ponieważ ślizgalibyśmy się, ani stabilne utrzymanie równowagi (stanie), bo cały czas przewracalibyśmy się, co można wypróbować na bardzo gładkim lodzie. Siły tarciaodgrywają bardzo ważną rolę, także podczas hamowania. Sprzęgła w samochodach przenoszą przez tarcie moment obrotowy z silnika do skrzyni biegów. Jeżeli nie byłoby tam tarcia, nie byłoby płynnego ruszania pojazdem oraz nie byłoby możliwe zatrzymanie się, hamowania. Dzięki tarciu mamy ułatwione życie, bo np. możemy normalnie chodzić, czy bezpiecznie jeździć jakimkolwiek pojazdem lub nawet okręty, dzięki swojemu kształtowi mogą łatwiej płynąć po morzu.

39. Sumując wszystko, czy tarcie jest potrzebne? Na pewno, bo jak by to było gdybyśmy musieli się ślizgać po podłodze. Wtedy niemożliwe byłoby wykonanie nawet podstawowej, najprostszej czynności, bo nie poradzilibyśmy sobie. Nie moglibyśmy się pionowo utrzymać. Także niemożliwa byłaby wtedy jazda jakimkolwiek pojazdem, a przecież w dzisiejszych czasach samochód to „podstawa”, bo niektórym ludziom trudno byłoby dostać się do pracy.

40. Jak widać, świat bez tarcia jest czymś nierealnym, pomimo tego czy to tarcie jest pożyteczne, czy niepożyteczne.

41. GDZIE WIĘKSZA PRĘDKOŚĆ TAM MNIEJSZE CIŚNIENIE

42. PRAWO BERNOULLIEGO głosi, że dla bezwirowego przepływu nieściśliwej cieczy lub gazów wielkość jest stała, gdzie , v i p są odpowiednio gęstością, prędkością przepływu i ciśnieniem cieczy lub gazu w danym punkcie, a h – względną wysokością tego punktu. Prawo Bernoulliego wynika z zasady zachowania energii przy przepływie cieczy i gazów. Na mocy tego prawa, na przykład, na tej samej wysokości , jeśli prędkość przepływu cieczy rośnie, to maleje ciśnienie. Teraz możemy już wytłumaczyć omawiane zjawiska.

43. DOŚWIADCZENIE Z PIŁECZKĄ DO PINGPONGA Weź piłeczkę do pingponga lub małą piłeczkę gumową, włóż do naczynia i ustaw pod strumieniem wody lecącej z kranu. Zauważysz, że piłeczka zostanie wciągnięta pod strumień, a nawet, że pod strumieniem pływa nieco mniej zanurzona. Jakby strumień wody wyciągał ją w górę, zamiast głębiej ją wepchnąć.

44. DOŚWIADCZENIE Z PIŁECZKĄ DO PINGPONGA Jeszcze bardziej zagadkowe jest zachowanie się piłeczki w strumieniu powietrza wydmuchiwanego z węża włożonego z przeciwnej strony do odkurzacza. Piłeczka jakby trzymała się strumienia powietrza. Każdy może jakoś zrozumieć, że strumień skierowany prosto do góry może to zrobić z piłeczką, ale skierowany na ukos?

45. DOŚWIADCZENIE Z PIŁECZKĄ DO PINGPONGAWYJAŚNIENIE Rozpatrzmy strumień wody spadającej na piłeczkę. W punktach Aprędkość wody jest większa niż w punkcie Bi różnica ciśnień utrzymuje piłkę pod strumieniem, a nawet trochę wypycha ją z wody. Podobnie jest dla piłeczki w strumieniu powietrza. W środku strumienia prędkość jest większa niż na brzegach i wynikająca stąd siła wraz z siłą grawitacji i oporu czołowego piłeczki utrzymują ją w położeniu stacjonarnym. Przesuwając strumień przesuwamy też piłeczkę.

46. INNE DOŚWIADCZENIA Dlaczego, gdy dmuchamy między dwie kartki papieru, to trudno jest je rozdzielić, gdyż raczej „sklejają się” zamiast rozsunąć się? Dwie kartki „przyciągają się”, gdy dmuchamy między nie. Trzeba o tym pamiętać kierując statkami. Gdy dwa statki płyną równolegle, woda między nimi musi płynąć szybciej niż na zewnątrz. Ciśnienie między nimi jest więc mniejsze, statki „przyciągają się” i może dojść do zderzenia

47. INNE DOŚWIADCZENIA Innym przykładem wykorzystania prawa Bernoulliego jest rozpylacz. Powietrze jest przedmuchiwane przez rurkę ze zwężeniem. W zwężeniu prędkość powietrza jest większa, a więc ciśnienie mniejsze. Wskutek mniejszego ciśnienia w punkcie Apłyn ze zbiorniczka podnosi się i jest porywany przez strugę powietrza.

48. Jak widać, zjawisk związanych z prawem Bernoulliego jest bardzo dużo i można je stosunkowo łatwo objaśnić. Czy rzeczywiście wszystko już rozumiemy? Wydawałoby się, że jeśli dmuchamy przez rurkę ze zwężeniem, to w zwężeniu powinno być wyższe ciśnienie, bo tam musimy powietrze wtłoczyć. A prawo Bernoulliego mówi, że na odwrót – jest tam niższe ciśnienie. Prawo Bernoulliego odzwierciedla prawo zachowania energii.

49. ARGUMENT Z UŻYCIEM SIŁ POZWALAJĄCY LEPIEJ ZROZUMIEĆ TO PRAWO W zwężeniach gaz lub ciecz musi płynąć szybciej, aby taka sama masa ośrodka przeszła przez zwężenie. Żeby ośrodek mógł płynąć szybciej, musi być siła przyspieszająca przepływ. Siła ta może pochodzić jedynie z różnicy ciśnień. Gdyby w zwężeniach panowało większe ciśnienie niż poza nimi, to ośrodek byłby hamowany, a nie przyspieszany.

50. Wykorzystanie siły dośrodkowej - Pralka automatyczna Gdy zajrzymy do wnętrza pralki automatycznej, to zobaczymy tam metalowy bęben z otworkami. Pod koniec prania włącza się wirówka, bęben obraca się bardzo szybko, a wraz z nim wyprana, mokra bielizna. Bęben działa na bieliznę i zawartą w niej wodę siłą odśrodkową. Siła ta jest siłą bezwładności.