Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Страницы: 1 2 3 След.
RSS
Помогите разобраться в "школьной" задаче, силы действующие на тело при вращательном движении
Я вполне ожидаю, что меня отправят читать школьные учебники по физике, но скажу честно я читал и не разобрался. На самом деле мне нужно объяснить тему ребенку, девятикласнику. Он плохо понимает физику, уроков почти нет, учительница часто болеет. Я вроде как взялся ему помогать, но во-первых сам мало чего помню, а во-вторых, прочтение параграфов учебника физики мне самому не очень помогает.

Собственно вопрос в следующем: какие силы действуют на тело при его движении по круговой орбите.
При этом нужно рассмотреть 2 варианта движения:
1) движение груза на тросике по кругу.
2) движение спутника вокруг Земля.

Вопросы такие - куда и какие приложены силы в этих двух случаях. Являются ли эти случаи "идентичными" или это принципиально разные ситуации. Действует ли на спутник центробежная сила?

Поиск по интернету к моему удивлению только запутывает ситуацию. Видно, что разные люди объясняют процессы по разному. Даже в Википедии (которой я в общем доверяю) есть противоречия.

Так, например, на одной странице Википедии Геостационарный спутник написано, что на спутник действуют две силы: сила гравитации и центробежные силы. При этом якобы эти силы уравновешены.

В другой статье Википедии Центробежная сила написано, что "В случае реального орбитального движения единственной силой, действующей на Землю, является сила тяготения" (имеется в виду движение Земли вокруг Солнца). То есть вроде как центробежной силы совсем нет.

Так все таки, действует ли центробежная сила на спутник или нет?
На разных физических форумах я обнаружил, что взрослые люди с "интегралами в руках" до хрипоты и оскорблений друг друга доказывают друг другу существование или отсутствие центробежной силы действующей на спутник. Вот пример такого обсуждения на форуме.

Видимо вопрос не очень очевидный.

После прочтения многих статей и обсуждений я принял для себя вот такое толкование.

1) при движении груза по кругу на тросике на груз действует центростремительная сила. Сила обусловлена наличием троса - он заставляет поворачиваться грузик по круговой траектории. На сам трос (а не на груз) действует центробежная сила. Эти две силы равны во величине, противоположны по направлению. Это те две силы антагонисты, которые описаны в 3м законе Ньютона. Обе силы приложены к разным телам - грузу и тросу. Нельзя сказать, что они приложены к одному только грузу. Если бы это было так, то нарушался бы 1й закон Ньютона - силы бы компенсировали друг друга и тело бы двигалось прямолинейно (чего не происходит).

2) при движении спутника вокруг Земли нет центробежной силы. Существует только сила гравитации. Спутник притягивается к Земле, а Земля к спутнику. Теперь эти 2 силы являются антагонистами, описанными 3м законом Ньютона. Опять же силы приложены к разным телам (к спутнику и Земле). Нельзя говорить о наличии центробежной силы в этом случае - ее вообще нет. Если бы она была и "компенсировала" бы силу тяжести, то по 1му закону Ньютона спутник бы двигался прямолинейно, чего не происходит. Таким образом, на спутник не действует центробежная сила (Википедия неправа).

Прошу объяснить мне прав я или нет (желательно не использовать сложные формулы с интегралами, так как мне потом еще все это ребенку пересказывать :-).

С уважением, Николай
Цитата
Николай Ковач пишет:
Вопросы такие - куда и какие приложены силы в этих двух случаях.
Дело в том, что при рассмотрении задачи о спутнике многие люди допускают ошибку, забывая конкретизировать, из какой системы отсчета они рассматривают эту задачу. И вариантов тут два.

1. Инерциальная система отсчета, связанная с центром (масс) Земли.
2. Неинерциальная вращающаяся система отсчета, связанная с центром Земли. Спутник в этой системе отсчета не вращается, вращается сама система отсчета. Такое рассмотрение отражает точку зрения наблюдателя, который сидит на спутнике, и уверен, что он висит на месте в невесомости, а вращается на самом деле под ним Земля.

В первом случае единственной силой, которая действует на спутник, является сила тяжести. Под ее действием спутник находится в состоянии бесконечного падения. Т.е. он все время падает, падает и падает, но поскольку вектор скорости перпендикулярен силе тяжести, падение происходит всегда на ту же величину, что и поворот радиус-вектора, соединяющего спутник и центр Земли.

Во втором случае, поскольку система отсчета неинерциальная, в ней появляется дополнительная эффективная сила инерции, которая уравновешивает силу тяжести.

Так что рассмотрение зависит от выбора системы отсчета.
Внимание! Есть полагание основать, что личное мнение содержит исключительно сообщение автора. Оно может не отвечать, что соответствует научности по критериям данности.
спасибо за понятные разъяснения..
Вот почему так просто в учебниках не пишут?
Цитата
Николай Ковач пишет:
Вот почему так просто в учебниках не пишут?
Потому что неинерциальные системы отсчета вообще в школе не затрагиваются. По какой-то причине считается, что школьникам это недоступно для понимания, хотя на мой взгляд проблема в том, что как раз самим учителям зачастую не хватает квалификации объяснять даже имеющийся материал.

В результате получается, что само понятие систем отсчета повисает в воздухе, оказываясь в школьном курсе физики практически никчемным. А поскольку никто не делает акцента на том, что системы отсчета бывают разные, и что при решении задачи вообще нужно выбирать эту самую систему отсчета, то возникает и путаница между всеми этими ситуациями с вращательным движением.

Есть также проблема и в преподавании криволинейного движения, из-за чего ученики путаются в понятии центростремительного ускорения, поминая через раз центробежное. Суть же ситуации в том, что нужно четко оговаривать, что ускорение - это не только изменение вектора скорости по величине (быстрее/медленнее), но и его изменение по направлению (с сохранением модуля/величины вектора). Таким образом, при разговоре о криволинейном движении, сами собой возникают две разных компоненты ускорения:

1. Тангенциальное ускорение, направленное по касательной к траектории движения. Это самое обычное житейское ускорение, с которым знакомы все, и которое в первую очередь дается в школе. Тангенциальное ускорение меняет скорость по величине, но не по направлению.
2. Нормальное ускорение, направленное по нормали (под прямым углом) к касательной траектории. В школе нормальное ускорение известно как центростремительное. Именно это ускорение меняет направление вектора скорости, но не меняет его величину.

Таким образом, любое движение с ускорением всегда есть сумма двух компонент - тангенциальной (касательной) и нормальной (перпендикулярной касательной). И в зависимости от соотношения этих компонент мы имеем либо чисто прямолинейное движение с ускорением, либо чисто круговое.

Если мы имеем ситуацию с круговым движением спутника, то скорость его при движении по орбите постоянна - тангенциальное ускорение равно нулю. Однако, вектор скорости все время меняет свое ускорение под действием силы тяжести, которая и создает нормальное (направленное по нормали к вектору скорости) ускорение. Это и есть то самое центростремительное ускорение, которым в школе мучают детей.

То же самое центростремительное ускорение создается и силой натяжения нити, привязанной к движущемуся по окружности грузику. Нить не дает грузику двигаться прямолинейно, удаляясь от точки привязи, и тянет его к себе, снова создавая это самое центростремительное (или нормальное) ускорение.
Внимание! Есть полагание основать, что личное мнение содержит исключительно сообщение автора. Оно может не отвечать, что соответствует научности по критериям данности.
Цитата
Николай Ковач пишет:
Прошу объяснить мне прав я или нет (

Лучше руководствоваться проверенными источниками. Например.
Силы тяготения отличаются от других ускоряющих сил. Сила притяжения Земли создаёт центростремительное ускорение спутника равное  для круговой орбиты V^2/ R ор, где V – орбитальная скорость спутника, а R ор – радиус орбиты  (стр. 280, учебник Физики, Ландсберга, 1973). Различие в том, что горизонтальная (орбитальная) скорость спутника настолько велика, а радиус кривизны его траектории при этом соразмерен с  радиусом Земли, то падение спутника с ускорением (имеющимся на этом расстоянии от Земли) к центру Земли сводится к огибанию земного шара (там же).
Сила, действующая на тело со стороны связи, направлена к центру. Именно она сообщает телу нужное центростремительное ускорение и называется центростремительной. Наоборот, сила, с которой вращающееся тело действует на связь, направлена от центра и называется центробежной. Эти термины сил относятся к действию сил только в  данном явлении, а не к их физической природе – фактически,  это упругие силы обусловленные деформацией тела и связи. Причиной вращения тела и связи вокруг центра является то, что тело деформировано так же как и связь (стр. 263, там же).  :)
Цитата
Владимир пишет:
Лучше руководствоваться проверенными источниками.
Кем?:)
Важно совершенствовать математику.

Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
Цитата
Николай Ковач пишет:
прочтение параграфов учебника физики мне самому не очень помогает.
Цитата
Николай Ковач пишет:
статье Википедии
Цитата
Алексей  Трофимов пишет:
Кем
Родителям, помогающим своим детям! :)
Цитата
BETEP IIEPEMEH пишет:
То же самое центростремительное ускорение создается и силой натяжения нити, привязанной к движущемуся по окружности грузику. Нить не дает грузику двигаться прямолинейно, удаляясь от точки привязи, и тянет его к себе, снова создавая это самое центростремительное (или нормальное) ускорение.
И опять-таки, если это движение рассматривать в инерциальной системе отсчёта, связанной с центром вращения, мы имеем только центростремительное ускорение. Соответственно, в СО, неинерциальной, вращающейся вместе с грузиком, - центростремительное и центробежное?
Изменено: Алексей Трофимов - 23.10.2012 21:47:40
Важно совершенствовать математику.

Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
В инерциальной системе отсчета центра вращения грузик движется с ускорением (вектор скорости все время меняет направление). Причина этого ускорения - силы упругости, действующие в нити (сила натяжения нити). Именно эти силы упругости тянут грузик и не дают ему двигаться прямолинейно, придавая ему центростремительное ускорение.

В неинерциальной системе отсчета грузик покоится. Силы упругости (сила натяжения нити), естественно, при этом остаются и продолжают действовать. Однако, грузик продолжает оставаться в состоянии покоя, поскольку в этой системе отсчета действует эффективное поле сил инерций (из-за неинерциальности системы отсчета), направленных от центра и пытающихся придать грузику ускорение в сторону от центра (то есть центробежное ускорение).
Внимание! Есть полагание основать, что личное мнение содержит исключительно сообщение автора. Оно может не отвечать, что соответствует научности по критериям данности.
Цитата
BETEP IIEPEMEH пишет:
В неинерциальной системе отсчета грузик покоится. Силы упругости (сила натяжения нити), естественно, при этом остаются и продолжают действовать. Однако, грузик продолжает оставаться в состоянии покоя, поскольку в этой системе отсчета действует эффективное поле сил инерций (из-за неинерциальности системы отсчета), направленных от центра и пытающихся придать грузику ускорение в сторону от центра (то есть центробежное ускорение).
То есть, в неинерциальной СО никаких ускорений нет, а работает третий закон - сила действия равна силе противодействия?
Важно совершенствовать математику.

Внимание! Данное сообщение содержит исключительно личное мнение автора. Есть основания полагать, что оно может не отвечать критериям научности.
Страницы: 1 2 3 След.
Читают тему (гостей: 1, пользователей: 0, из них скрытых: 0)

Помогите разобраться в "школьной" задаче


Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее