Данная статья знакомит читателей с переименованием силы упругости, а также полным её исключением из анализа работы простых механизмов в некоторых учебниках физики для 7 класса и является продолжением статей: «Современный взгляд на простой механизм «блок», изучаемый по учебникам физики для 7 класса», опубликованной в журнале «Юный учёный» № 2 за 2016 год и «Ошибки в учебниках физики для 7 класса при изучении механизма «подвижный блок» в журнале «Юный учёный» № 3 за 2017 год.
Ключевые слова: сила упругости, сила натяжения, сила нормальной реакции, половинная сила, неподвижный блок, подвижный блок
В учебниках физики для 7 класса при ознакомлении с взаимодействием тел изучается сила упругости — сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение (выделения сделаны автором статьи). На рисунках 65 и 97 показано возникновение силы упругости, при действии на тело силы тяжести
Английский учёный Роберт Гук установил, что изменение длины тела при растяжении (или сжатии) прямо пропорционально модулю силы упругости.
Посмотрим, как описывают силу упругости в учебнике физики для 7 класса авторы Л. Э. Генденштейн и А. Б. Кайдалов в §15. СИЛА УПРУГОСТИ. ВЕС.
«Почему не падает лежащее на ладони яблоко? Сила тяжести действует на яблоко не только когда оно падает, но и когда оно лежит на ладони. Почему же тогда лежащее на ладони яблоко не падает? Потому, что на него действует теперь не только сила тяжести FТ, но и сила упругости со стороны ладони (рис.15.3). Эту силу называют силой нормальной реакции и обозначают N. Такое название силы объясняется тем, что она направлена перпендикулярно поверхности, на которой находится тело (в данном случае — поверхности ладони), а перпендикуляр называют иногда нормалью» [1, с.107].
Вот так, была сила упругости, а стала сила нормальной реакции, и это еще не предел по переименованию силы упругости, например: в §24. ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ абзац: «Даёт ли неподвижный блок выигрыш в силе? Рассмотрим это на примере, показанном на рис. 24. 1, а. Трос натянут силой, приложенной рыбаком к свободному концу троса. Сила натяжения троса остаётся постоянной вдоль троса, поэтому со стороны троса на груз (рыбу) действует такая же по модулю сила» [1, с.190].
Еще пример из абзаца: «5. ПОЧЕМУ ПОДВИЖНЫЙ БЛОК ДАЁТ ВЫИГРЫШ В СИЛЕ В ДВА РАЗА? Если массой блока и трением в нём можно пренебречь, то можно считать, что к блоку приложены три силы: вес груза Р, направленный вниз, и две одинаковые силы натяжения троса F, направленные вверх (рис.24.5)» [1, с.192]. А вот ещё абзац: «6. КАК С ПОМОЩБЮ НЕПОДВИЖНОГО БЛОКА ПОЛУЧИТЬ ВЫИГРЫШ В СИЛЕ? Если человек поднимает самого себя, как показано на рис.24.6, то при этом вес человека распределяется поровну на две части троса (по разные стороны блока). Поэтому человек поднимает себя, прикладывая силу, которая вдвое меньше его веса. Такай способ подъёма самого себя «половинной силой» используют альпинисты и маляры» [1, с.193].
Благодаря работам Роберта Кука в 18 веке были построены пружинные часы, а в нашем веке в учебниках физики для 7 класса не только переименовали, но и вообще исключили силу упругости из анализа работы простых механизмов, например, как в учебнике физики для 7 класса автора А. В. Пёрышкина: «§61. ПРИМЕНЕНИЕ ПРАВИЛА РАВНОВЕСИЯ РЫЧАГА К БЛОКУ. Неподвижным блоком называют такой блок, ось которого закреплена и при подъёме грузов не поднимается и не опускается (рис.177). Неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса (рис.178): ОА=ОВ=r. Такой блок не даёт выигрыша в силе (F1 = F2), но позволяет изменять направление действие силы» [2, с.181, 182].
Всматриваемся в рис.177, груз висит на начале подвеса (трос, канат), который сверху огибает неподвижный блок и за второй конец подвеса происходит подъём груза. Значит согласно рис.65 в подвесе должна возникнуть сила упругости и эта сила упругости будет действовать на неподвижный блок от точки А до точки В на рис.178, а поскольку сила упругости одинакова по всей длине подвеса то и силы F1 и F2 равны, так как это одна и та же сила упругости подвеса и если изменить направление подъёма груза за второй конец подвеса, то естественно изменится и направление действие силы упругости и рис.177 можно изменить на рис.177а, на котором неподвижный блок нельзя рассматривать как равноплечий рычаг.
Перейдем к описанию подвижного блока: «Подвижный блок — это блок, ось которого поднимается и опускается вместе с грузом (рис.179). На рисунке 180 показан соответствующий ему рычаг: О — точка опоры рычага, ОА — плечо силы Р и ОВ — плечо силы F. Так как плечо ОВ в 2 раза больше плеча ОА, то сила F в 2 раза меньше силы Р:
F = Р/2. Таким образом, подвижный блок даёт выигрыш в силе в 2 раза» [2, с.182].
Внимательно смотрим на рис.179 и видим, что груз висит на оси подвижного блока и вес груза действует на колесо блока деформируя его как на рис.97, на рис.180 отлично показано, что вес груза действует на колесо блока в точке А, поэтому в колесе блока возникнет сила упругости, которая будет действовать на подвес подвижного блока в точках О и В, вызывая появление силы упругости подвеса, которая и будет давать выигрыш в силе в 2 раза при подъёме груза.
В подвижном блоке при подъёме груза существует сила упругости колеса блока и сила упругости подвеса, на котором висит подвижный блок с грузом и если анализировать работу подвижного блока с учётом этих сил упругости, то о представлении подвижного блока как рычага можно забыть.
Выводы.
В статье рассмотрены переименованные и отсутствующие силы упругости в простых механизмах, которые изучаются по учебникам физики для 7 класса. Переименование сил упругости усложняет усвоение материала, так как надо заучивать новую силу и иметь понятие об её действии, например: сила нормальной реакции объясняет что эта сила направлена перпендикулярно поверхности на которой находится тело, обозначение N и что перпендикуляр иногда называют нормалью. При исключении силы упругости из анализа работы в простых механизмах искажается получение выигрыша в силе при подъёме груза, например: в подвижном блоке выигрыш в силе при подъёме груза в 2 раза даёт сила упругости подвеса, на котором висит подвижный блок с грузом, а не рычаг на колесе блока.
Литература:
- Генденштейн Л. Э. Физика 7 класс. В 2 ч. Ч. 1: учебник для общеобразовательных организаций / Л. Э. Генденштейн, А. Б. Кайдалов; под ред. В. А. Орлова, И. И. Ройзена. — 7-е изд., стер. — М,: Мнемозина, 2014. — 255 с.: ил. ISBN 978–5-346–03035–5.
- Пёрышкин, А. В. Физика 7 кл.: учебник / А. В. Пёрышкин. — 3 –е изд., доп. — М,: Дрофа, 2014. — 224 с.: ил. ISBN 978–5-358–14436–1.
- Грачёв А. В. Физика; 7 класс; учебник для учащихся общеобразовательных организаций / А. В. Грачёв, В. А. Погожев, А. В. Селивёрстов, — 3-е изд., перераб. — М,; Вентана- Граф, 2014, — 288 с,: ил. ISBN 978–5-360–04901–2.
