Сила упругости. Вес тела. Сложение сил

Вы уже знакомы с одной из сил. Это сила тяжести, сила, с которой тело притягивается к Земле. Мы познакомимся сейчас с еще одной силой - так называемой силой упругости, которая возникает при деформации тел.

На штативе закреплена пружина, к которой снизу подвешена на крючке тарелочка. Нижний край тарелочки приходится против цифры 0 на шкале. Если я воздействую на тарелочку рукой, сила направлена вертикально вниз, то пружина растягивается.

Сейчас тарелочка находится в равновесии. Это значит, что на тарелочку кроме руки действует еще какая-то сила. Это как раз сила, возникшая при растяжении пружины, сила упругости. На тарелочку сейчас действует две силы: мускульное усилие со стороны руки, эта сила направлена вертикально вниз, и сила упругости, которая направлена вертикально вверх и стремится возвратить тарелочку в первоначальное положение. Поскольку тарелочка находится в равновесии, мы можем утверждать, что эти силы сейчас равны по величине и противоположны по направлению.

Если я с большей силой буду воздействовать на тарелочку, пружина растянется на большую величину, и сила упругости также возрастет.

Давайте количественно оценим сказанное. Для этого я подвешу на тарелочку груз массой 100 г. Сейчас сила тяжести, действующая на этот груз, составляет 0,98 Н или примерно, округленно, 1 Н. Под действием силы в 1 Н, мы видим, пружина растянулась примерно на 5 см, нижний край тарелочки сейчас находится напротив отметки 5 см на шкале. Зафиксируем положение нижнего края тарелочки.

Добавим на тарелочку еще груз массой 200 г. Сейчас на пружину воздействует сила 3 Н. Отметим положение нижнего края тарелочки. Сила 3 Н вызвала растяжение в 3 раза большее, чем первоначальное.

Если добавить еще один груз массой 200 г, то есть теперь сила тяжести, приложенная к этим грузам, составляет 5 Н, на тарелочку действует сила 5 Н. Вот эта сила, которая действует на тарелочку, называется весом.

Надо различать силу тяжести и вес. Сила тяжести приложена к грузам, а вес приложен к тарелочке. На тарелочку сейчас действует сила, равная 5 Н, вес равен силе тяжести по величине, но, еще раз подчеркиваю, приложен к разным телам. А пружина сейчас растянулась на 25 см, в 5 раз больше растяжение пружины, чем при первоначальной нагрузке. Мы видим, что с увеличением нагрузки величина растяжения возрастает прямо пропорционально нагрузке. Сила упругости, которая возникает в пружине при ее растяжении, оказывается прямо пропорциональна нагрузке.

Попробуем заменить нагрузку, вот эти три гири, одной, равной им по массе. Для этого мы воспользуемся рычажными весами. Видите, рычажные весы, они находятся в равновесии. Мы устанавливаем на левую чашку весов прежнюю нагрузку, а на правую чашку весов мы устанавливаем одну гирю массой 500 г. Сила тяжести, действующая на эту гирю, составляет примерно 5 Н, а точнее - 4,9 Н. Мы видим, что массы тел одинаковы, одинаковы силы тяжести, воздействующие на эти тела, одинаков вес этих тел, с которым эти тела давят сейчас на чашки весов.

Подвесим теперь эту гирю массой 500 г на пружину. На пружину теперь вновь действует сила 5 Н, и мы видим, что эта сила вызвала такое же растяжение пружины, каково оно было вначале под действием трех гирь. Сила, которая оказывает на тело такое же действие, как и одновременно действующие несколько сил, называется равнодействующей этих сил. Мы заменили три силы (1 Н, 2 Н и еще 2 Н) их равнодействующей 5 Н. Такая замена оказалась возможной вследствие того, что эти силы действовали по одной прямой в одну и ту же сторону, они все были направлены вертикально вниз. Когда силы направлены в одну и ту же сторону, то равнодействующая этих сил равна просто сумме модулей этих сил.