Силы действующие на велосипед при движении по окружности (4 видео)

Силы действующие на велосипед при движении по окружности

Список секций
Физика
Загадка центробежной силы

Содержание

Загадка центробежной силы
Физические силы, действующие при езде на велосипеде
Силы которые действуют при езде на велосипеде
Внешние силы
Внутренние силы
Центростремительное ускорение и центростремительная сила
Линейная скорость меняется от точки к точке
Центростремительная сила – причина движения по окружности
Центростремительное ускорение
📹 Видео

Видео:Физика - движение по окружностиСкачать

Загадка центробежной силы

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Однажды летом, катаясь на велосипеде, мне пришлось очень быстро поменять направление движения, чтобы объехать препятствие. При резком повороте руля меня отбросило в сторону, и я упал с велосипеда. Боль от падения понемногу утихла, а вопрос в моей голове засел надолго: какая неведомая и невидимая сила подействовала на меня и сбросила с велосипеда? От чего она зависит, а самое главное – как ей противостоять? Это и стало темой моей исследовательской работы.

Актуальность моей исследовательской работы заключается в том, что современный школьник должен знать: какие законы физики действуют на человека, как им противостоять или применить с пользой для себя.

Итак, цель моей работы: изучить свойства центробежной силы и смастерить аппарат для изготовления сахарной ваты в домашних условиях с использованием центробежной силы.

Исходя из цели, поставлены следующие задачи:

Собрать и проанализировать информацию о силах, направленных на человека, когда он неподвижен или двигается в одном направлении.

Выяснить, какая сила возникает и действует на человека при смене направления его движения.

Провести практические опыты, чтобы:

— установить причину возникновения данной силы,

— определить направление этой силы,

— узнать, от чего эта сила зависит.

— сравнить эту силу с другими.

Объект исследования: движущийся человек

Предмет исследования: силы, которые воздействуют на движущегося человека.

Поиск информации в литературе, в Интернете;

Эксперименты по изготовлению сахарной ваты .

Для достижения цели мы выдвинули гипотезы:

Сила, возникающая и действующая на человека при смене направления его движения, может побороть силу тяжести.

Свойства центробежной силы можно применить в быту.

1.Сила тяжести и сила трения.

Самая известная сила, с которой мы все сталкиваемся постоянно, — сила притяжения Земли, или сила тяжести. Ее действие заключается в том, что все предметы, находящиеся на поверхности Земли или около нее, притягиваются к ней с определенной силой. Действие этой силы описывается законом всемирного тяготения, который установил великий ученый Исаак Ньютон. Согласно легенде этому во многом поспособствовало яблоко, упавшее с дерева прямо на голову ученого. Поэтому нам необходимо время от времени посматривать вверх, особенно сейчас зимой, чтобы какая-нибудь сосулька наглядно не продемонстрировала нам последствия этой силы тяжести. С другой стороны, эта сила позволяет нам свободно передвигаться по земной поверхности, а не «барахтаться» как космонавты в невесомости.

Еще одна сила, которая следует за нами повсюду, — это сила трения. Она возникает при касании различных поверхностей и зависит от их шероховатости. Эта сила заставляет остановиться любое тело, движущееся по поверхности. Мячик, который мы бросили, или самая быстрая машина, у которой кончился бензин, в конце концов, обязательно остановятся. Мы не можем до конца побороть силу трения, как бы ни старались, какие бы ровные поверхности не пытались создать. Однако использовать силу трения себе во благо мы можем. Поэтому на лыжах мы катаемся по снегу, на льду мы используем коньки, для легковых автомобилей прокладываем асфальтовые дороги, а не ездим по сырой земле. Да и скользкие тротуары посыпаем песком, чтобы не упасть, а уверенно передвигаться пешком. (Приложение №1, фото 1,2)

Итак, я еду на велосипеде, и на меня действуют сила тяжести, благодаря которой я, подпрыгивая на трамплине, приземляюсь на землю, а не улетаю в космос, а также сила трения, которая напоминает о себе, когда я перестаю крутить педали, потому что я начинаю останавливаться. С этими силами я знаком, я к ним приспособился, как вдруг на резком повороте в одну сторону какая-то неизвестная мне сила отбрасывает меня в другую.

Я решил разобраться и достал энциклопедию. Изучив различные виды сил, я выяснил, что единственная сила, которая никак себя не проявляет, если человек или любой предмет находится в состоянии покоя или движется прямолинейно, а возникает при движении по окружности – это центробежная сила. То есть она действует на все предметы, которые меняют свое направление с прямолинейного на движение по кругу. И велосипед тут ни при чем. По этой причине всех пассажиров в автобусе при резком повороте отбрасывает на сиденье в другую сторону; поэтому все участники в аттракционе «Карусель Цепочка» раскручиваются и разлетаются друг от друга. (Приложение №1, ф. 3)

Луна моментально упала бы на Землю, если бы была неподвижной. Но Луна не стоит на месте, она вращается вокруг Земли. Обращаясь вокруг Земли, Луна движется по орбите со скоростью 1 км/сек, то есть достаточно медленно, чтобы не покинуть свою орбиту и «улететь» в космос, но и достаточно быстро, чтобы не упасть на Землю. (Приложение №1, фото 4)

Также я нашел информацию, что даже в старину умели использовать центробежную силу. Старинное метательное орудие – праща – метает камни под ее воздействием. (Приложение №1, фото 5).

Уже упомянутый нами ученый Исаак Ньютон первым ввел в обиход понятие центробежной силы и одним из первых изучил ее воздействие на различные тела. Профессора наук разных стран до сих пор ведут спор о правильности названия данного явления, кто-то считает ее лженаучной. Центробежную силу даже изучают не во всех школах, полагая, что ученикам не стоит «забивать голову» всякой ерундой. Мне, третьекласснику тяжело судить о правильности тех или иных суждений. Однако, как мне кажется, это явление, как не назови, было, есть и будет. И когда я стану старше, я обязательно подробно изучу эту «коварную» центробежную силу.

Мы решили проверить, как возникает, как действует центробежная сила на различные предметы, от чего она зависит, а также сравнить ее с другой силой.

Опыт № 1. Возьмем камень и шарик. Положим их на ровную поверхность. Они будут неподвижны. На них действует сила тяжести, которая прижимает их к поверхности. (Приложение №2, фото1)

Опыт № 2. Катнем шарик по поверхности, а камень кинем по воздуху. Шарик, испытав на себе силу трения в конце концов остановится и под действием силы тяжести будет опять спокойно лежать на поверхности. Камень, преодолевая силу трения воздуха, пролетит некоторое расстояние, а потом под действием силы тяжести упадет на поверхность и также останется неподвижности.

Вывод первых двух опытов : на тела, находящиеся в покое или двигающиеся прямолинейно, мы увидели воздействие двух сил: силы тяжести и силы трения. Действия центробежной силы мы не заметили.

Опыт №3. Мы взяли веревку, закрепили на ее конце камень, подняли вверх над головой и стали раскручивать. При быстром вращении камень натянул веревку и стал вращаться по кругу. (Приложение №2, фото 1)

Опыт № 4. Затем мы решили не закреплять предметы на вращающейся основе и посмотреть, что получится. Я взял спиннер и разместил на нем три шарика. При быстром вращении спиннера шарики разлетелись в разные стороны от него. (Приложение №2, фото 2)

Вывод опытов №3 и №4: мы установили причину возникновения центробежной силы. Она проявляется каждый раз, когда любое тело начинает двигаться по кругу, и эта сила направлена от центра этого круга. Любой тяжелый предмет, закрепленный на вращающейся основе, стремиться оторваться и улететь в сторону противоположную центру вращения.

Опыт № 5. Берем стакан и помещаем в него шарик. Если просто перевернуть стакан, то шарик из него выпадет. Если мы начнем сильно вращать стакан вокруг своей оси, то шарик будет перекатываться по стенкам сосуда и не выпадет. (Приложение №2, фото 3)

Вывод : центробежная сила зависит от скорости вращения. Чем выше эта скорость, тем больше центробежная сила. И наоборот.

Опыт № 6. Встанем на вращающуюся поверхность. Расставим руки в стороны. Мы будем вращаться с определенной скоростью. Если мы прижмем руки к телу, то скорость вращения заметно возрастет. (Приложение №2, фото 4)

Вывод: центробежная сила зависит от радиуса вращения. Чем меньше радиус, тем центробежная сила больше. И наоборот. Именно поэтому фигуристы при исполнении своих прыжков прижимают руки к телу, чтобы вращаться быстрее. А радиус автомобильных дорог наоборот увеличивают, чтобы снизить влияние центробежной силы.

Опыт № 7 . Возьмем ведерко с водой. Если мы начнем его переворачивать, вода из него просто выльется. Если мы на вытянутой руке раскрутим ведро, то вода прижмется к стенкам ведра и из него не выльется. (Приложение №2, фото 5)

Вывод: Данный опыт показывает , что с помощью центробежной силы можно преодолеть силу тяжести.

Наша гипотеза подтвердилась. Сила, возникающая и действующая на тело при смене направления его движения, может побороть силу тяжести.

Изучив теоретический материал и проведя практические опыты, мы можем подвести следующий итог: центробежная сила реальна, она существует и действует на любой предмет при его движении по окружности. Действие этой силы направлено от центра этой окружности на предмет. Значение этой силы зависит от скорости движения и радиуса вращения. Значением центробежной силы нельзя пренебречь. Конечно, мы не в состоянии управлять этой силой, но, зная ее особенности, мы можем:

— уменьшить ее отрицательное воздействие. Например, перед резкими поворотами водители автомобилей и машинисты поездов снижают скорость, чтобы не «улететь в кювет», а сами повороты на загородных магистралях делают пологими, то есть с большим радиусом. Чтобы противостоять центробежной силе, конькобежцы и мотоциклисты на треке немного наклоняются в сторону центра, а велосипедные треки и рельсы для поездов специально делают наклонными.

— применять ее с пользой для себя. Например, в быту. Са мая обычная стиральная машина-автомат в положении отжим а работает так, что б ельё очень мощно прижимается к стенкам барабана благодаря как раз центробежной силе . Вода сквозь отверстия в барабане стремительно уходит прочь, да так, что после отжима на 1000 об./мин. бельё достаётся их машины почти сухим . (Приложение №1, фото 6)

В современном мире эта сила помогает извлекать мед из пчелиных сот, отделять сливки от молока в центробежных сепараторах. (Приложение №1, фото 7) Центробежная сила могла бы даже помочь современной Золушке отделить различные виды зерен друг от друга. В цирковом искусстве очень зрелищным является исполнение трюка «мертвая петля» на мотоцикле или даже велосипеде.

4.Создание аппарата для приготовления сахарной ваты

с использованием центробежной силы.

Мы решили наглядно продемонстрировать действие центробежной силы и создать аппарат для изготовления сахарной ваты из подручных материалов.

Нам понадобится: моторчик от блендера или болгарки, или вентилятора; консервная банка или крышка с проделанными в них отверстиями по всей окружности, большая чаша или коробка, сахарный сироп (пропорции сахара и воды 1:1).

Мы попробовали в качестве моторчика двигатели от разных приборов: блендер, болгарка, вентилятор. Подробное описание конструкции приведено в Приложении №3. Подробное описание экспериментов с использованием разных видов моторов отражено в Приложении №4 Таблица №1.

В итоге сделали следующие выводы. Процесс изготовления сахарной ваты зависит от следующих факторов: от мощности двигателя, от объема чаши, от качества и температуры приготовленного сиропа. Весь процесс создания аппарата мы представили в фотографиях. (Приложение №5)

Таким образом, наша вторая гипотеза подтверждена. Мы смогли создать аппарат с использованием центробежной силы в домашних условиях из подручных материалов.

Изучив теоретический материал, проведя опыты, мы сделали выводы:

Если тело неподвижно или двигается прямолинейно, центробежная сила никак не проявляется; она равна нулю.

Центробежная сила возникает всякий раз, когда тело начинает двигаться по кругу. И эта сила направлена от центра этого круга, то есть от центра вращения. Центробежная сила зависит от скорости вращения. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила. Центробежная сила зависит от радиуса вращения. Чем меньше радиус, тем больше центробежная сила.

При определенной скорости вращения центробежная сила может помочь преодолеть силу тяжести. Центробежной силой нельзя пренебречь: ни в жизни, ни в быту. Ее действие можно либо уменьшить, либо применять с пользой для себя. Обе наши гипотезы подтвердились.

1.Белько Е. «Веселые научные опыты для детей».-2018

2.Дружинин Б.Л. Развивающие задачи по физике для школьников 5-9 классов.- 2013.

3.Кат Ард., Сара Лоуренс «Научные эксперименты» — 2018

4.Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. М.: 2000., Ч.1 — 448с., Ч.2 — 432с.

Фото 1.Сила тяжести Фото 2.Сила трения

Фото 3. Карусель «Цепочка» Действие центробежной силы при резком повороте

Фото 4. Вращение Луны вокруг Земли Фото 5. Применение центробежной

силы в старину – праща.

Фото 6. Действие центробежной Фото 7. Сепаратор для масла

силы в стиральной машине

Фото 1. Опыт №1 Фото 1. Опыт №3

Описание конструкции аппарата для приготовления сахарной ваты.

а) с использованием горелки для подогрева сахара

Процесс появления сахарных нитей.

б) с использованием приготовленного горячего сахарного сиропа. Вместо

горелки, которая подогревает сахар снизу, заливается горячий сахарный сироп сверху.

Приложение №4 . Таблица №1. Описание экспериментов

Мы прикрепляем к блендеру консервную банку с проделанными в ней отверстиями. Устанавливаем чашу. Затем вливаем в банку горячий сахарный сироп. И запускаем двигатель блендера.

Сахарный сироп разбрызгался по стенкам чаши. Эксперимент не удался.

Двигатель блендера недостаточно мощный. Чаша слишком мала для образования сахарных нитей. Для увеличения мощности решили приделать к блендеру лопасти.

Добавив лопасти к консервной банке, запустили двигатель блендера.

Мощности моторчика не хватает.

Прикрепляем CD -диск к осевому болту вентилятора. Льем сахарный сироп на поля диска запущенного вентилятора

Эксперимент не удался.

Предположили, что сироп остыл в процессе подготовки оборудования

Довели температуру сахарного сиропа до кипения.

Сахарные нити разбрызгались по воздуху в разные стороны и осели на дне коробки.

Мощности двигателя достаточно, но без лопастей вентилятора сахарные нити разлетаются в разные стороны и оседают на дне коробки.

Устанавливаем на посадочное место болгарки консервную крышку с проделанными в ней отверстиями. Устанавливаем на нее чашу. Запускаем моторчик двигателя. Заливаем в крышку горячий сахарный сироп.

Сахарный сироп разбрызгался по стенкам чаши.

Мощность моторчика болгарки самая большая из присутствующих, но ее не хватает, если использовать ограниченный объем чаши.

Увеличиваем размер емкости, вместо чаши снова устанавливаем коробку большей вместимости.

Появляются в большом объеме сахарные нити, которые можно собирать и употреблять в виде десерта.

Мощность моторчика болгарки самая большая из присутствующих и позволяет получить максимальный результат по сбору сахарной ваты.

Устанавливаем на посадочное место моторчика консервную крышку с проделанными в ней отверстиями. Устанавливаем прибор в чашу. Запускаем моторчик двигателя. Заливаем в крышку горячий сахарный сироп.

Появляются в большом объеме сахарные нити, которые можно собирать и употреблять в виде десерта.

Мощность моторчика от стиральной машины для образования сахарных нитей. И самое главное, сам моторчик работает бесшумно.

Итог: положительный результат создания сахарной ваты с использованием центробежной силы от разных видов мотора зависит от многих факторов: мощности моторчика, использования притока холодного воздуха извне, объема чаши, качества и температуры приготовленного сиропа.

Процесс создания аппарата для изготовления сахарной ваты

а) Создание аппарата для изготовления сахарной ваты с помощью моторчика от блендера

б) Создание аппарата для изготовления сахарной ваты с помощью моторчика вентилятора

в) Создание аппарата для изготовления сахарной ваты с помощью болгарки

г) Создание аппарата для изготовления сахарной ваты с помощью моторчика от стиральной машины

Видео:Урок 89. Движение по окружности (ч.1)Скачать

Физические силы, действующие при езде на велосипеде

Так как классический велосипед имеет два колеса, то велосипедисту для того, чтобы он ехал, постоянно необходимо поддерживать равновесие и преодолевать различные силы, которые возникают в процессе движения.

То, что конструкция велосипеда несложная, это не значит, что всё так просто. Физические силы, действующие при езде на велосипеде основаны на фундаментальных законах науки. Рассмотрим основные силы, которые действуют при езде на велосипеде.

Видео:Какая сила приводит велосипед в движение Решение физика ЗФТШ МФТИСкачать

Силы которые действуют при езде на велосипеде

Внешние силы

1. Сила тяжести (гравитация). Гравитация — одно из четырёх фундаментальных явлений в природе. Объясняется законом Ньютона. Сила, с которой она действует, прямо пропорциональна массе тела велосипедиста. Чем больше вес велосипедиста, тем сильней сила гравитации. Она действует на велосипедиста и компоненты велосипеда перпендикулярно к поверхности земли. Сила её действия возрастает при подъёме на велосипеде в гору и соответственно уменьшается при спуске.

2. Сила сопротивления воздуха. Аэродинамические силы, действующие на велосипедиста в основном складываются из сопротивления воздуха и встречного или бокового ветра. При средней скорости и движении по ровной поверхности аэродинамическое сопротивление является наибольшей силой, которая препятствует движению вперёд. При дальнейшем увеличении скорости, аэродинамическое сопротивление становится подавляющим, и своей величиной намного превосходит все остальные силы, которые препятствуют движению вперёд.

3. Сила сопротивления качению. Сопротивление качению — сила, которая возникает при движении круглого предмета, в данном случае колеса велосипеда по плоской поверхности со скоростью прямолинейного движения. Возникает в основном при деформации колеса, деформации поверхности, по которой двигается колесо или деформации обоих. При езде на велосипеде эта сила возрастает при плохо накачанных колёсах или передвижении например по песку. Также сила сопротивлению качения дополнительно зависит от таких факторов как радиус колеса, скорости движения и типа соприкасающихся поверхностей.

4. Силы, возникающие во время манёвров для балансировки велосипеда. Возникают при изменении направления движения велосипеда или при манипуляциях рулём, чтобы сбалансировать велосипед и удержать равновесие. Определяется центробежной силой. В механике термин центробежная сила используется для объяснения двух понятий — сила инерции и центростремительная сила. Это сложные процессы и разбирать их довольно долго. Все они описаны в учебниках.

Внутренние силы

1. Крутящий момент — это способность с помощью приложенной силы повернуть предмет вокруг своей оси, то есть колесо велосипеда. Сила создаётся ногами велосипедиста, а крутящий момент передаётся от педалей на колесо велосипеда при помощи цепной, карданной, ременной или другой передачи. Регулируется путём подбора передних и задних звёзд в различных вариантах.

2. Другие внутренние силы в основном вызваны трением между подвижными частями велосипеда и вариантами его устройства. Их величина зависит от вида подвески, трансмиссии, механизма рулевого управления и других элементов конструкции.

Также читать на эту тему:

Виды передачи крутящего момента на колесо велосипеда. На велосипеде для того, чтобы передать крутящий момент с цепи на втулку заднего колеса применяют три основные разновидности передачи: Кассетная передача. Фривильная передача. Передача фрикостер.

Переключение передач на велосипеде. Строгих правил нет, каждый выбирает свой вариант, иногда сильно отличающийся от общепринятого. С приобретением опыта езды у каждого велосипедиста вырабатываются свои приоритеты в выборе передач под себя. Для того, чтобы сохранить элементы трансмиссии и продлить срок…

Переключатели скоростей велосипеда. Передний переключатель. Его работа состоит в том, чтобы перебрасывать цепь с одной звезды на другую. Параллелограммный механизм перемещает рамку, через которую проходит цепь. При переключении на другую скорость рамка перемещается и располагается над необходимой звездой…

Накат велосипеда. Существует прямая связь между давлением в камерах и тем, насколько легко едет велосипед. Недостаточно накачанные колёса тормозят велосипед, и наоборот камеры, заполненные воздухом, не превышающим максимальное давление придают легкость движению…

Цепь велосипеда. Изобретение более ста лет назад цепного привода стало одним из революционных шагов в развитии велосипеда. С помощью цепи, появилась возможность передавать усилие от педалей на заднее колесо велосипеда, что позволило уменьшить размер колёс до современных размеров…

Видео:Физика в школе Движение по окружности велосипед ЕГЭ ГИАСкачать

Центростремительное ускорение и центростремительная сила

Тело изменяет направление движения, когда движется по окружности. Это говорит о том, что подобное движение происходит под действием некоторой силы. Такую силу называют центростремительной. С ней связано центростремительное ускорение.

Видео:ТРАНСМИССИЯ ВЕЛОСИПЕДА | Звезды, переключатели, кассеты, системы.Скачать

Линейная скорость меняется от точки к точке

При движении по окружности вектор линейной скорости (vec) изменяет свое направление (рис. 1). Значит, направления векторов (vec) для соседних точек будут различаться! Но в каждой точке окружности вектор (vec) направлен перпендикулярно радиусу.

Тело, двигаясь по кругу, изменяет направление, в котором движется. А если меняется направление движения, изменяется вектор скорости тела.

Примечания:

Характеристики вектора – это его длина и его направление. Если изменится хотя бы одна из них, говорят, что изменился вектор.
Через красную точку на рисунке 1 проходит ось вращения. По правилу правого винта вдоль оси вращения направлена угловая скорость.

Видео:Урок 43. Криволинейное движение. Равномерное движение по окружности. Центростремительное ускорениеСкачать

Центростремительная сила – причина движения по окружности

Первый закон Ньютона гласит: пока на тело не действуют другие тела, оно сохраняет свою скорость неизменной. То есть, тело покоится, или движется с постоянной скоростью по прямой.

Тело изменит скорость своего движения по направлению или по модулю, только если на него подействует сила (другое тело).

При движении тела по окружности вектор скорости изменяется по направлению. Значит, на движущееся по окружности тело действует сила.

Эта сила притягивает тело к центру окружности (рис. 2), заставляя тело поворачивать. Поэтому, силу называют центростремительной (стремится к центру). Она направлена к центру окружности по радиусу.

А если эту силу убрать, тело начнет двигаться по прямой с постоянной (одной и той же) скоростью.

Примечание: На любое тело, движущееся по окружности, действует центростремительная сила. Она в каждой точке этой окружности направлена к ее центру по радиусу.

Видео:Движение колеса без проскальзывания, качение | Олимпиадная физика, кинематика | 9 – 11 классСкачать

Центростремительное ускорение

Второй закон Ньютона утверждает: если есть сила, появится ускорение.

Сила и ускорение связаны так:

Это ускорение (vec<a_<text>>) сонаправлено (рис. 3) с вектором силы (vec< F_<text> >), поэтому, его называют центростремительным ускорением.

Длина центростремительного ускорения отличается от длины вектора силы в (m) раз. Где (m) – это масса точки.

Вектор ускорения (vec<a_<text>>) направлен по радиусу к центру окружности. Значит, он перпендикулярен вектору (vec) линейной скорости.

Поэтому центростремительное ускорение иногда называют нормальным ускорением.

Примечание: Нормаль – это перпендикуляр. Нормальное, значит, перпендикулярное.

Нормальное ускорение можно вычислить, пользуясь выражением:

( vec<a_> left( frac<text><c^> right) ) — центростремительное ускорение;

(v left( frac<text> right)) — линейная скорость точки;

(R left( textright)) – радиус окружности, по которой движется точка.

(m left( textright)) – масса точки.

Чем быстрее движется тело, и чем меньше радиус окружности, тем больше нормальное ускорение и центростремительная сила, действующая на тело.

Примечание: Нормальное ускорение есть всегда, когда есть движение по окружности, при этом не важно, меняется ли скорость тела по модулю, или не меняется.