§ 12. Взаимодействие тел. Масса и сила

Определения и обозначения

Взаимодействие тел — взаимное влияние тел друг на друга, из-за которого может изменяться их движение или происходить деформация. Деформацией называют изменение формы или размеров тела. Это понятие помогает связать наблюдаемые изменения с действием тел друг на друга, например понять, почему мяч отскакивает от стены или сминается при ударе.

Масса тела — физическая величина, характеризующая инертность тела; её обозначают буквой m и измеряют в килограммах (кг). Инертность — свойство тела сохранять скорость неизменной, если действие других тел не меняет его движение. Чем больше масса, тем труднее изменить скорость тела при одинаковом воздействии. Понятие массы нужно, чтобы сравнивать, насколько тела поддаются изменению движения.

Сила — физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое; её обозначают буквой F и измеряют в ньютонах (Н). У силы есть не только значение, но и направление, поэтому её изображают стрелкой. Сила помогает описывать, насколько сильно и в какую сторону одно тело воздействует на другое. Для полного описания также указывают место, где приложена сила.

Как это устроено

Одним из результатов взаимодействия бывает изменение скорости: тело может разогнаться, замедлиться или повернуть. Например, удар ногой заставляет неподвижный мяч двигаться, а удар мяча о стену меняет его направление. Это происходит потому, что действие другого тела меняет движение мяча за время контакта. Другой возможный результат — деформация: при сжатии пружины меняется её форма, а при ударе мягкий предмет может сплющиться.

Взаимодействие всегда взаимно: если одно тело действует на другое, то и второе испытывает действие первого. При столкновении тележек обе могут изменить скорость, хотя изменения не обязаны быть одинаковыми. Например, лёгкая тележка может заметно отъехать, а тяжёлая — лишь немного сдвинуться. Поэтому нельзя описывать столкновение так, будто действие испытывает только одно тело.

Различие в изменении движения связано с инертностью. При одинаковом воздействии телу большей массы сложнее быстро изменить скорость, чем телу меньшей массы. Так, пустую тележку легче разогнать толчком, чем нагруженную. Масса не сообщает, как именно движется тело в данный момент: она показывает, насколько трудно изменить его движение.

Массу сравнивают взвешиванием: на весах сопоставляют действие тел на чаши, а результат выражают в килограммах. Массу нельзя отождествлять с весом, хотя в быту эти слова иногда смешивают. Вес — сила, с которой тело действует на опору или подвес, поэтому он измеряется в ньютонах; масса же является характеристикой инертности. При изменении условий движения вес может меняться, тогда как масса тела остаётся его характеристикой.

Действие одного тела на другое описывают силой. Чтобы понять результат этого действия, важно знать значение силы, её направление и точку приложения. Например, одинаковый толчок в разных направлениях может разогнать тело в разные стороны, а сила, приложенная к ручке двери, поворачивает её вокруг петель. Значит, одного числа в ньютонах недостаточно для полного описания силы.

Масса и сила: сравнение физических величин

Сначала определите, какую характеристику требуется описать: инертность тела или воздействие на него. Затем проверьте единицу измерения: килограммы относятся к массе, а ньютоны — к силе. Если речь идёт о силе, обязательно уточните направление и место её приложения.

Разбор задач

Задача 1. Мяч ударили ногой, и он изменил скорость и направление. Укажите, какие тела взаимодействовали и какое изменение движения произошло. Чтобы ответить, нужно назвать оба тела и описать результат их действия, а не только сказать, что мяч «полетел».

1. Выделим тела: это нога и мяч. Во время удара они соприкасаются и действуют друг на друга.
2. Определим наблюдаемое изменение: после удара скорость мяча изменилась, а направление его движения стало другим.
3. Свяжем результат с понятием: действие ноги на мяч привело к изменению движения мяча. При этом взаимодействие взаимно, поэтому действие испытывает и нога.

Ответ: взаимодействовали нога и мяч; мяч изменил скорость и направление движения.

Задача 2. Две тележки разной массы взаимодействуют при столкновении. Какая из них при прочих равных изменит скорость сильнее? Слова «при прочих равных» означают, что сравнивается действие в одинаковых условиях. Здесь нужно применить связь массы с инертностью.

1. Сравним массы: одна тележка имеет меньшую массу, другая — большую.
2. Учтём, что при одинаковом воздействии тело с меньшей массой легче изменить в движении. Его скорость меняется сильнее.
3. Не будем считать, что вторая тележка совсем не изменит движение: при столкновении взаимодействуют обе тележки. Различается степень изменения их скорости.

Ответ: сильнее изменит скорость тележка меньшей массы.

Задача 3. На тело действуют две силы вдоль одной прямой: 8 Н вправо и 3 Н влево. Определите равнодействующую силу и её направление. Равнодействующая — одна сила, которая заменяет совместное действие нескольких сил. Так как силы направлены противоположно, важно учитывать не только их значения, но и направления.

1. Сравним значения: 8 Н больше, чем 3 Н, значит, действие вправо сильнее.
2. Найдём разность значений: 8 Н − 3 Н = 5 Н. Складывать силы как два положительных числа нельзя, потому что они направлены в разные стороны.
3. Направим результат в сторону большей силы, то есть вправо. Представить равнодействующую можно стрелкой, направленной вправо, с подписью 5 Н.

Ответ: равнодействующая равна 5 Н и направлена вправо.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при взаимодействии действует только одно тело. Так думают, когда замечают движение одного предмета и не обращают внимания на ответное действие другого. Проверьте себя вопросом: какие именно два тела взаимодействуют? Если второе тело не названо, описание неполное.

Массу часто путают с весом, потому что в повседневной речи говорят «весит столько-то килограммов». Но килограмм — единица массы, а вес является силой и измеряется в ньютонах. Чтобы проверить себя, определите, что нужно найти: инертность тела или действие тела на опору либо подвес.

Ещё одна ошибка — указывать силу только числом. Тогда неясно, куда направлено действие и в каком месте оно приложено. После записи значения проверьте, указаны ли направление и точка приложения. Особенно это важно, когда силы действуют вдоль одной прямой, но в разные стороны.

Противоположно направленные силы иногда складывают как обычные числа, например получают 11 Н для сил 8 Н и 3 Н. Так теряется информация о направлениях, поэтому результат выходит неверным. Сначала определите, куда направлена каждая сила, затем вычтите меньшее значение из большего и укажите направление большей силы.

Связь с другими темами

Для понимания взаимодействия нужно знать, что скорость тела может изменяться, а движение описывают относительно выбранного тела отсчёта. Например, пассажир движущегося автобуса покоится относительно сиденья, но движется относительно дороги. Поэтому, говоря об изменении движения, сначала уточняют, относительно чего его рассматривают.

Масса и сила понадобятся при изучении законов Ньютона. Эти законы связывают действие сил с изменением движения тела, а масса помогает учитывать его инертность. С их помощью можно будет объяснять и рассчитывать движение тел в разных ситуациях.

Что запомнить

• Взаимодействие тел может изменить их движение или вызвать деформацию.
• При взаимодействии тела действуют друг на друга.
• Масса характеризует инертность тела.
• Единица массы в СИ — килограмм.
• Сила характеризует действие одного тела на другое.
• Сила — векторная величина; её единица в СИ — ньютон.