Προσδοκώμενα Αποτελέσματα Οι Βρέντζου Τίνα Φυσικός Μεταπτυχιακός τίτλος: «Σπουδές στην εκπαίδευση» ΜEd μαθητές θα πρέπει: 1 1. Να υιοθετήσουν την άποψη ότι, σε συνθήκες έλλειψης τριβών, η δυσκολία αλλαγής της κινητικής κατάστασης των ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1 Κεφάλαιο 3 ο : Οι σπουδαιότερες δυνάμεις στη φύση. σωμάτων οφείλεται στην αδράνεια. 2. Να ερμηνεύσουν ή να προβλέπουν την εξέλιξη της κίνησης ενός σώματος με βάση την αρχική του κινητική κατάσταση και τη συνισταμένη των δυνάμεων που ασκούνται σ αυτό. 3. Να αναγνωρίσουν το ρόλο της αδράνειας σε φαινόμενα της καθημερινότητας.. 4. Να αναγνωρίσουν το ρόλο της μάζας ως παραμέτρου που προσδιορίζει την επιτάχυνση ενός σώματος όταν η συνισταμένη δύναμη είναι σταθερή. 5. Να διατυπώσουν με σύμβολα και με λόγια το θεμελιώδη νόμο της Μηχανικής. Εναλλακτικές ιδέες των μαθητών Πιστεύουν ότι η άσκηση δύναμης είναι απαραίτητη προκειμένου η κίνηση να γίνεται με σταθερή ταχύτητα. Όλα τα σώματα μπορεί να τεθούν σε κίνηση με ευκολία σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας. Όλα τα σώματα σταδιακά ακινητοποιούνται όταν παύσει να ασκείται σε αυτά η δύναμη που συντηρούσε την κίνηση. Η αδράνεια είναι δύναμη η οποία συντηρεί την κίνηση των σωμάτων. Αν δύο σώματα βρίσκονται σε ηρεμία έχουν ίσες ποσότητες αδράνειας. Η δύναμη που έθεσε ένα σώμα σε κίνηση συνεχίζει να υπάρχει ακόμα και όταν το σώμα πάψει να είναι σε επαφή με το δράστη που άσκησε τη δύναμη. Η δύναμη δεν είναι η αιτία αλλαγής της κινητικής κατάστασης αλλά είναι το γινόμενο m a. 1
2 Οι σπουδαιότερες δυνάμεις στη φύση. Σε πολλές περιπτώσεις η τριβή προκαλεί παραγωγή ήχου. Τριβή Τριβή είναι μια δύναμη που αντιτίθεται στην ολίσθηση ενός σώματος πάνω σε μια επιφάνεια. Όταν προσπαθούμε να σπρώξουμε ένα κιβώτιο στο έδαφος παρατηρούμε ότι αντιστέκεται αρχικά και έπειτα ολισθαίνει. Η δυσκολία να ολισθήσει περιγράφεται από τη δύναμη της τριβής. Η τριβή είναι παρούσα σε κάθε κίνηση στη καθημερινή μας ζωή και έχει διπλό ρόλο. Από τη μια αντιστέκεται στην κίνηση των σωμάτων και από την άλλη η τριβή είναι η δύναμη που μας βοηθάει να βαδίσουμε ή αποτελεί την απαραίτητη δύναμη ώστε να μπορέσουν να κυλίσουν οι τροχοί ενός αυτοκινήτου. Έχει πάντα διεύθυνση παράλληλη με τις επιφάνειες που εφάπτονται, φορά αντίθετη με τη φορά της κίνησης και αναπτύσσεται μεταξύ των δύο επιφανειών που βρίσκονται σε επαφή. Η στατική τριβή εμφανίζεται στις επιφάνειες δύο αντικειμένων, οι οποίες βρίσκονται σε επαφή, ενώ τα αντικείμενα βρίσκονται σε σχετική ακινησία. Δεν είναι δύναμη με σταθερό μέτρο αλλά παίρνει όλες τις τιμές ανάμεσα στο μηδέν και μια μέγιστη τιμή, την οριακή τριβή, που υπολογίζεται από τον τύπο: Σ σ,max =μ σ F k. Άρα γενικά για την στατική τριβή ισχύει ότι: 0 Τ σ μσ Fκ. Η τριβή ολίσθησης εμφανίζεται στις επιφάνειες δύο αντικειμένων οι οποίες βρίσκονται σε επαφή ενώ τα αντικείμενα βρίσκονται σε σχετική κίνηση. Η τριβή ολίσθησης είναι ανεξάρτητη από το εμβαδόν συνεπαφής και από τη σχετική ταχύτητα των σωμάτων, ενώ εξαρτάται από τη φύση των επιφανειών επαφής και από την κάθετη δύναμη στήριξης. Η τριβή ολίσθησης σε αντίθεση με την στατική τριβή, είναι δύναμη με σταθερό μέτρο που δίνεται από τον τύπο T = μfκ όπου μ ο συντελεστής τριβής ολίσθησης που είναι καθαρός αριθμός και εξαρτάται από τη φύση των δύο επιφανειών επαφής και Fκ η κάθετη δύναμη μεταξύ των επιφανειών. Γενικά ο συντελεστής τριβής ολίσθησης είναι μικρότερος από τον συντελεστή στατικής τριβής οπότε και η τριβή ολίσθησης είναι μικρότερη από την οριακή στατική τριβή. 2
3 Τα χαρακτηριστικά της τριβής Η τριβή είναι 1. ανεξάρτητη της ταχύτητας του κινούμενου σώματος 2. ανεξάρτητη της επιφάνειας επαφής των τριβομένων σωμάτων 3.εξαρτάται από τη φύση των τριβομένων επιφανειών (συντελεστής τριβής μ) 4.ανάλογη με την κάθετη αντίδραση του δαπέδου Αν θέλετε μπορείτε να δείτε μια προσομοίωση του BBC για την τριβή. http://www.bbc.co.uk/schools/ scienceclips/ages/8_9/friction.s html Τ = μ.ν όπου μ ο συντελεστής τριβής και Ν η κάθετη δύναμη στην επιφάνεια επαφής του σώματος με το επίπεδο. Η κάθετη δύναμη στήριξης (Ν) Όταν σώμα ακουμπά σε κάποια επιφάνεια, τότε δέχεται δύναμη από την επιφάνεια. Η δύναμη αυτή είναι κάθετη στην επιφάνεια και έχει φορά από την επιφάνεια προς το σώμα. Η κάθετη δύναμη στήριξης είναι δύναμη επαφής και εμποδίζει το ένα σώμα να εισχωρίσει στο άλλο. Συμβολίζεται με Ν ή Fκ ή Α. Τα χαρακτηριστικά της κάθετης δύναμης στήριξης (Ν) Σημείο εφαρμογής: Σημεία επαφής των δύο σωμάτων Διεύθυνση : Κάθετη στα σημεία επαφής Φορά: Τείνει να απομακρύνει τα σώματα που βρίσκονται σε επαφή Μέτρο: Η ελάχιστη τιμή του θα είναι το μηδέν,όταν τα δύο σώματα δεν βρίσκονται σε επαφή και η μέγιστη θα είναι η δύναμη που προκαλεί τη θραύση των δύο σωμάτων. 3
4 Τάση του νήματος Τα τεντωμένα νήματα ασκούν δυνάμεις ίσες και αντίθετες στα σώματα που είναι δεμένα στα άκρα τους. Τέτοια δύναμη ονομάζεται τάση νήματος, συμβολίζεται συνήθως με Σ ή Ν, έχει διεύθυνση την διεύθυνση του νήματος και φορά από το άκρο του νήματος προς το νήμα. Όσο πιο τεντωμένο είναι ένα νήμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση του. Κάθε νήμα αντέχει μέχρι ορισμένη τάση, η οποία ονομάζεται όριο θραύσης Σθρ του νήματος. Μόλις το νήμα τεντωθεί τόσο που η τάση γίνει ίση με το όριο θραύσης, το νήμα σπάει. Δείτε την προσωμοίωση στην http://phet.colorado.edu/el/simulation/massspring-lab Δύναμη ελατηρίου Ιδανικό ελατήριο ονομάζεται το ελατήριο το οποίο έχει αμελητέα μάζα και υπακούει στο νόμο του Hooke. Φυσικό μήκος είναι το μήκος του ελατηρίου όταν σε αυτό δεν ασκείται καμία δύναμη. Ένα ελατήριο παραμορφωμένο (επιμηκυμένο ή συσπειρωμένο) ασκεί στα δυο του άκρα δυο δυνάμεις ίσες και αντίθετες. Ελατήριο συσπειρωμένο απωθεί σώμα δεμένο στα άκρα του, ενώ ελατήριο επιμηκυμένο έλκει σώμα δεμένο στα άκρα του. Τέτοια δύναμη ονομάζεται τάση ελατηρίου ή δύναμη ελατηρίου F ελ, έχει πάντα διεύθυνση παράλληλη με τον άξονα του ελατηρίου και φορά τέτοια που να τείνει να επαναφέρει το ελατήριο στο φυσικό του μήκος. Το μέτρο της δίνεται από τη σχέση 4
5 F ελ = k Δl, όπου k είναι μια σταθερά που εκφράζει το πόσο σκληρό είναι το ελατήριο και Δl είναι η παραμόρφωση του. Εάν ασκήσουμε μεγάλη δύναμη στο ελατήριο, είναι πιθανό να μην επιστρέψει ποτέ στο φυσικό του μήκος. Ως όριο ελαστικότητας ορίζουμε τη μέγιστη τιμή της δύναμης που μπορεί να ασκηθεί σε ένα ελατήριο, προκαλώντας την ελαστική του παραμόρφωση. 5