Инерция в жизни человека.

Инертность – это свойство тела, проявляющееся при воздействии на него внешних сил и заключающееся в его способности препятствовать изменению своей скорости относительно инерциальной системы отсчёта. В поступательном движении мерой инертности тела является его масса, во вращательном – момент инерции.

Система отсчёта – это совокупность, включающая тело отсчета, его систему координат и время, по отношению к которой исследуется поведение рассматриваемых материальных точек или тел.

С помощью следующих проектов мы познакомимся с законами Ньютона, изучим, как действуют силы инерции, задействуем различные примеры материальных точек.

Проект «Примеры первого закона Ньютона»

Вы когда-нибудь смотрели футбольный матч? Возможно, вы будете удивлены: когда два игрока сталкиваются на одинаковой скорости, почему один игрок падает назад из-за толчка? Причина связана с массой. К тому же, здесь играет роль одно важное понятие физики – первый закон Ньютона.

В этом эксперименте вы будете использовать мяч для гольфа и свинцовое грузило для рыболовной сети, которое примерно в два раза больше мяча. Как вы думаете, что произойдёт, если оба предмета подвесить, отвести их в стороны и резко отпустить по направлению друг к другу? Какой из них одержит победу – лёгкий мяч для гольфа или тяжёлое свинцовое грузило? Что произойдёт при столкновении двух предметов на одинаковой скорости, при условии, что масса одного из них больше?

Что нам понадобится:

• свинцовое грузило для рыболовной сети (около 2800 г);
• мяч для гольфа;
• рыболовная леска;
• канцелярские скрепки или кнопки, необходимые для фиксирования подвешенных предметов;
• суперклей;
• блокнот и ручка.

Ход эксперимента:

1. Отрежьте два куска лески одинаковой длины.
2. При помощи суперклея зафиксируйте скрепку на поверхности мяча для гольфа. Через эту скрепку вы будете протягивать леску.
3. Протяните первую леску через скрепку и завяжите узел.
4. Вторую леску привяжите к металлической петле на свинцовом грузиле для рыболовных сетей.
5. Попросите кого-то из родителей прикрепить предмет к потолку или столу. Убедитесь, что они не соприкасаются. Два предмета должны висеть недалеко друг от друга, практически не соприкасаясь, но и не наклоняться друг к другу.
6. Как вы думаете, что произойдёт, когда свинцовое грузило ударится о мяч для гольфа, находящийся в состоянии покоя? Запишите свои гипотезы или лучшие предположения.
7. Возьмите свинцовый объект и отойдите на пять шагов назад. Приподнимите грузило и отпустите, чтобы оно ударилось о мяч для гольфа. Запишите, что произошло. Пришёл ли мяч для гольфа в движение? Замедлилось ли свинцовое грузило, когда столкнулось с неподвижным мячом для гольфа?
8. Остановите оба предмета.
9. Как вы думаете, что произойдёт, когда вы отпустите мяч для гольфа и он столкнётся со свинцовым грузилом, пребывающим в неподвижном состоянии? Запишите свою гипотезу.
10. Перейдите на другую сторону и возьмите мяч для гольфа. Отойдите на пять шагов назад. Поднимите мяч для гольфа и отпустите его. Запишите, что произошло.
11. Как вы думаете, что произойдёт, если оба предмета отвести на одинаковое расстояние друг от друга и отпустить? Что произойдёт при столкновении? Запишите свои предположения.
12. Для проведения третьего этапа эксперимента попросите помочь кого-то из друзей или родителей. Станьте лицом друг к другу. Каждый из вас должен взять в руки один объект. Одновременно отойдите на пять шагов назад, поднимите объекты и отпустите их на счёт три. Понаблюдайте, что произошло. Запишите свои наблюдения.

Вывод:

Вес свинцового грузила будет более ощутимым во всех трёх экспериментах. Даже тогда, когда мяч для гольфа сталкивается с грузилом, находящимся в неподвижном состоянии. Во всех трёх экспериментах траектория и положение свинцового объекта при столкновении с мячом будет меняться лишь незначительно. Почему? Данный проект превосходно демонстрирует первый закон Ньютона: «Неподвижный объект остаётся в том же положении, если на него не действует никакая сила извне, а объект, находящийся в движении, продолжает двигаться с постоянной скоростью, при отсутствии воздействия на него других тел». Во время экспериментов мы применили силу по отношению к разным объектам и поняли причины изменения их движения, являющиеся следствием первого закона Ньютона. Но движение мяча для гольфа всегда было более ощутимым, чем движение свинцового грузила. Почему? Есть две концепции, которые нужно уяснить.

Первое из них происходит от третьего закона Ньютона: «Если один объект воздействует на другой с определённой силой, второй объект оказывает такое же противодействие (мы видели действие этого закона каждый раз, когда объекты сталкивались)». Эти силы всегда равны по модулю и противоположны по направлению. Но подождите! Если на оба объекта воздействовали одни и те же силы, тогда почему мяч для гольфа перемещался дальше?

Чем тяжелее объект, тем больше воздействуют силы инерции. При большей силе инерции сдвинуть этот объект с места сложнее. Если объект с большой массой приведён в движение, из-за инерции его будет настолько же тяжело (или ещё тяжелее) сдвинуть с места, применяя силу извне. Наш свинцовый груз имеет настолько большую массу, что мяч для гольфа практически не мог сдвинуть его с места. Даже если на оба объекта воздействовали с одинаковой силой.

Вы когда-нибудь задумывались, почему бросить ядро труднее, чем бейсбольный мяч? Теперь вы знаете, почему! Подумайте, какие еще опыты, подтверждающие первый закон Ньютона, можно провести.

Проект «Попадание в цель с движущегося объекта»

Согласно первому закону Ньютона, материальная точка, которая движется, будет продолжать двигаться, если на нее не действуют никакие силы. Второй закон Ньютона гласит, что если на тело во время движения воздействует какая-то сила, ускорение его центра инерции, геометрической точки, характеризующей движение тела, равняется действию этой силы. Давайте проверим эти законы при помощи велосипеда и шариков, наполненных водой.

Используя первый и второй законы Ньютона, вы изучите проблему попадания в цель с движущегося объекта.

Что нам понадобится:

• велосипед;
• тротуар или дорожка для велосипедистов;
• вода;
• шарики;
• мел;
• ручка или карандаш;
• лабораторный блокнот.

Ход эксперимента:

1. Наполните воздушные шарики водой и завяжите их.
2. На тротуаре мелом нарисуйте мишень.
3. Возьмите один шарик и сядьте на велосипед. Держите шарик рядом с рулём велосипеда.
4. Начните ехать на велосипеде и во время движения бросьте шарик с водой в намеченную цель. Попал ли шарик в цель или приземлился где-то в другом месте? Где вы должны были выпустить шарик из рук, чтобы он попал точно в цель? Запишите свои наблюдения.
5. Повторите шаги 3-6, но на этот раз увеличьте скорость. Запишите свои наблюдения.
6. Повторите шаги 3-6, но на этот раз уменьшите скорость. Запишите свои наблюдения.
7. Влияет ли изменение скорости движения велосипеда на положение точки, в которую вы пытаетесь попасть? Основываясь на знаниях, полученных во время этого эксперимента, ответьте, при каких условиях груз, брошенный в процессе движения, попал бы прямо в цель?

Вывод:

Меняется ли положение точки, в которую вы должны попасть, бросив груз, по мере увеличения скорости велосипеда? Если да, насколько смещается положение цели?

Проект «Физика на игровой площадке»

Игровая площадка – прекрасное место для изучения законов физики. Гравитация? Пусть ваш друг спустится с горки. Трение? Попробуйте съехать по ней в мокрых джинсах. Центробежная сила? Вращайтесь на качелях из шин.

Все фундаментальные концепции в физике можно изучить во время игры. Есть множество способов в жизни, которые помогут вашему ребёнку изучить физику. Далее представлен один из примеров быстрого эксперимента для 1 закона Ньютона, который вы можете провести на игровой площадке. Речь пойдёт о законе инерции.

Формулировка первого закона Ньютона звучит следующим образом: «Тело, находящееся в движении, продолжает двигаться, а тело, пребывающее в состоянии покоя, остаётся в покое, если на него не действует никакая сила». Всё во вселенной стремится к движению (или остаётся неподвижным), если какая-либо внешняя сила не остановит (или не приведёт в движение) тот или иной объект. Другими словами, инерция – это явление, которое действует на тело таким образом, чтобы сохранить его первоначальное состояние.

Но известно, что поведение тела определяется системой отсчета: относительно одной оно находится в состоянии покоя, а относительно другой движется с ускорением. Следовательно, необходимо выбрать систему отсчета, для которой ясна причина изменения движения тела. Поэтому инерциальная система отсчёта – это система, в которой выполняются законы Ньютона. Инерциальная система отсчета (ИСО) покоится или движется равномерно и прямолинейно относительно другой инерциальной системы. Соответственно, неинерциальная система отсчета – это система, которая движется с ускорением относительно инерциальной системы.

Две главные силы на Земле, которым всегда противодействует инерция тела – это гравитация и трение. Практически у всех детей есть опыт, иллюстрирующий эти понятия (когда-то падали с велосипеда?), но об этом нужно рассказать подробнее.

Что нам понадобится:

• элементы детской площадки (качели, горка и пр.).

Ход эксперимента:

1. Чтобы изучить эти фундаментальные законы физики по дороге в парк, расскажите ребёнку об инерции, гравитации и трении (без автомобильных аварий, которые были бы яркой, но опасной демонстрацией этих понятий).
2. Затем предложите ребёнку почувствовать инерцию. Пусть он сядет на качели. После того, как вы сделали два толчка, пусть спрыгнет и попытается стать ровно. Удастся ли ему это сделать? Вероятно, нет. Он упадёт или побежит вперёд. Это и есть действие силы инерции.
3. Попробуйте ещё раз, при этом раскачивайте качели медленнее, пока ребёнку не удастся спрыгнуть и стать ровно. Изучите игровую площадку вместе и найдите примеры инерции, гравитации и трения. Теперь пребывание на игровой площадке – не просто «прогулка в парке», а настоящее обучение!

Вывод:

Какие особенности 1 закона Ньютона следует учесть при изучении движения тела? Почему первый закон Ньютона работает только в инерциальной системе отсчета? Какое движение называют «движением по инерции»?

Заключение

Благодаря проведенным проектам теперь вы знаете, что означает в физике материальная точка, изучили явление инерции и применение первого закона Ньютона. Если это направление физики вам интересно, попробуйте самостоятельно организовать опыты по инерции в домашних условиях.