1.2.1 Síly I Předpoklady: Pedagogická poznámka: Jak už bylo napsáno v úvodu, považuji dynamiku za nejobtížnější část středoškolské fyziky, pávě poto, že studenti mají o fungování světa své (bohužel špatné představy) a ve fyzice nestačí jim pouze představit ty spávné, musíte jim vyvátit ty špatné. Celý poblém začíná už u špatného pochopení sil, poto obsahuje tato učebnici tuto hodinu, kteá zabývá něčím, co je obsahem učiva základní škole, ale studenti to v pvním očníku neumějí (ve třech třídách jsem zatím nepotkal ani jednoho, kteý by dokázal nakeslit spávně síly do obázku kuličky ovnoměně se kutálející po vodoovném stole). Pedagogická poznámka: Přístup uvedený v této kapitole po ozlišování sil se v učebnicích nepoužívá. Moje zkušenosti ho však ukazují jako jediný systém, kteý studenty naučí ozlišovat, co je možné považovat za sílu a co ne. Podle klasické definice uvedené níže studenti síly ozlišovat nedokáží. Duhým cílem hodin je vyvácení představy o setvačnosti jako síle. Nesnažím se popíat, že něco jako setvačnost existuje, ale zdůazňuji, že o ní není možné uvažovat jako o síle, potože se od ostatních sil velmi liší (nesplňuj podmínky na síly kladené). Přesto je třeba zdůaznit, že i po této hodině se najdou studenti, kteří budou setvačné síly z setvačnosti keslit. Je potřeba je sledovat a jejich blud jim vytvale vyvacet. Pedagogická poznámka: Je třeba si uvědomit, že se v této hodině snažíte přesvědčit studenty o něčem, čemu nevěří. Poto všechny síly, o kteých je v hodině řeč, při výkladu ihned demonstuji. Dosud jsme se zabývali způsoby, jak pohyb zachycovat a popisovat. Na tom není nic zvlášť užitečného, dokud nezjistíme, poč se tělesa pohybují. Poznání příčin pohybu (ke kteému budeme schopnost jej popsat samozřejmě potřebovat) nám umožní předpovídat, co se stane. Pávě schopnost předvídat je nejcennější předností fyziky a příodních věd vůbec. Pokud máme na stole stojící předmět (kabička od siek) a chceme ho uvést do pohybu, potřebujeme jediné stčit do kabičky pstem (zapůsobit na kabičku silou). Pochopení pojmu síla i objasnění příčin pohybu se zdá velmi jednoduché a většina lidí má pocit, že tomu přiozeně ozumí. Bohužel je to přesně naopak. Na tomto poblému ztoskotali i staří Řekové a objev zákonů pohybu odstatoval ozlet vědy i člověka až v 17. století. Ani dnes není situace o mnoho lepší a dokonce i velká většina gymnazistů zcela v ozpou s tím, co se učili ve škole, uvažuje v běžném životě stejným způsobem jako lidé ve staověku. Potože pohyb předmětů ozhodujícím způsobem ovlivňují síly, musíme si nejdříve důkladně vyjasnit, co pojem síla znamená. Definovat jednoznačně sílu je (stejně jako ostatních základních veličiny) těžké, po naše potřeby bude stačit, definice ze základní školy: 1
Síla je fyzikální veličina, kteá popisuje vzájemné působení těles. Síla je vektoová veličina (je učena velikostí a směem). Existuje mnoho duhů sil: gavitační magnetická elektická třecí tlaková atd. Př. 1: Mezi gavitační, magnetickou a elektickou silou na staně jedné a třením nebo tlakovou silou na staně duhé je zásadní ozdíl. Jaký? Gavitační (magnetická, elektická) síla působí na dálku. Předměty, kteé na sebe těmito silami působí se nemusí dotýkat. Třecí (tlaková) síla působí pouze při vzájemném kontaktu. Síly mohou působit na dálku (gavitační, elektická, magnetická) nebo pouze při vzájemném kontaktu předmětů (tření, dotykové síly). Př. 2: Na obázku je nakeslena kulička ležící na stole. Nakesli do něj všechny síly, kteé působí na kuličku. Na kuličku působí dvě síly: gavitační síla Země F g, tlaková síla od stolu F s. Obě jsou stejně velké, mají opačný smě a jejich působení se navzájem uší. Dodatek: Obě síly působí na svislé přímce pocházející středem kuličky, měly by se tedy překývat. Pak by však ta vchní vypadala větší. Zvolili jsme poto menší zlo a nakeslili síly tochu vedle sebe, aby bylo vidět, že jsou stejně dlouhé. Pedagogická poznámka: Zejména kvůli budoucnosti je dobé už v tomto okamžiku tvat na tom, aby studenti keslili počáteční body šipek do působišť sil. Tady opět nepomáhá nic jiného, než nechat studenty, aby síly keslili sami a opavovat jejich špatné obázky. 2
Př. 3: Do kuličky z předchozího příkladu cvnká pst. Nakesli opět všechny síly, kteé na kuličku působí. K silám z předchozího příkladu přibyly: dopava působící síla od pstu F, doleva působící tření F t, kteé se snaží kuličku zastavit. Síla uky je větší než tření a kulička se ozjede dopava. Př. 4: Další obázek zachycuje situaci o chvilku později. Ruka už se kuličky nedotýká, ale kulička se stále kutálí dopava. Dokesli do obázku všechny síly, kteé působí na kuličku. smě pohybu kuličky Situace je skoo stejná jako v předchozím případě, na kuličku působí opět čtyři síly, ale setvačná síla od uky už je menší než předtím. smě pohybu kuličky Předchozí odpověď je sice častá (lépe řečeno, takto odpovídají téměř všichni), ale přesto špatná: Na kuličku působí pouze tří síly. Na kuličku nepůsobí žádná setvačná síla od uky. Na kuličku působila uka pouze, když se kuličky dotýkala (jde o tlakovou sílu působící pouze při doteku). Od okamžiku, kdy se kuličky uka přestala dotýkat, už na ni tato síla nepůsobí. 3
smě pohybu kuličky Pedagogická poznámka: Běžně v učebnici neuvádím špatné odpovědi, ale v tomto případě činím výjimku. Pakticky se nestává, že bych od dětí, kteé přijdou ze ZŠ, slyšel něco jiného. Ruka působící na kuličku v příkladu 3 doopavdy na kuličce něco změní a tato změna v kuličce zůstává dokud se pohybuje. Ale tuto změnu ve stavu kuličky nemůžeme považovat za sílu (situaci si vyjasníme v přespříští hodině). Musíme zpřesnit definici síly, například tím, že si vyjasníme podmínky, kteé musí splňovat každá síla. Poznámka: Například si můžeme učit, že auto je každé vozidlo, kteé má čtyři kola a moto. Je jasné, že autem není ani motoka (i když má moto, chybí ji čtyři kola) ani přívěsný vozík za nákladní automobil (má čtyři kola, ale nemá moto). Dvě podmínky najdeme snadno, z pouhého přehledu sil schválených v předchozích příkladech: Země přitahuje kuličku gavitační silou směem dolů. Stůl působí na kuličku silou a nadzvedává ji. Stůl bzdí třením kuličku a zastavuje ji. Pst stčí do kuličky silou a ozpohybuje ji. u každé síly je možné nalézt těleso, kteé ji způsobuje (původce), a těleso, na kteé síla působí (cíl). Př. 5: Označ u čtyř pobíaných sil původce a cíl. Původce sil je označen čeveně, cíl je označen modře. Země přitahuje kuličku gavitační silou. Stůl působí na kuličku silou a nadzvedává ji. Stůl bzdí třením kuličku a zastavuje ji. Pst stčí do kuličky silou a ozpohybuje ji. Pedagogická poznámka: V hodinách předchozí příklad přeskakuji. Studentům je to jasné, jde spíš o značení ve zbytku kapitoly. Pedagogická poznámka: Ve zbytku této hodiny pojekto příliš nepoužívám. Zadání si řekneme, jde o jednoduché úkoly. Třetí podmínka je pozoovatelná hůře. Při cvnkání do kuličky cítíme, jak nás kulička tlačí do pstu (u těžké kuličky a velkého cvnknutí to bolí) když působíme pstem na kuličky, působí i kulička na pst. 4
Pst působí silou (cvnká) na kuličku, kulička působí silou (tlačí) na pst zkoumaná dvojice sil má pohozené ole původce a cíl. Obě síly ve dvojici se spolu zvětšují nebo zmenšují (když víc cvnkneme, víc to bolí a kulička se víc ozjede). Obě síly nemohou existovat jedna bez duhé (není možné cvnknout pstem do kuličky, aniž bychom to cítili). Poznámka: Předchozí tři vlastnosti dokonale naplňují definici síly jako vzájemného působení dvou těles. Př. 6: Nakesli do obázku čákovaně sílu kuličky na pst. F k- Síla má opačný smě než síla, kteou pst tlačí na kuličku. Shneme to: Jestliže působí uka na kuličku, objeví se i její patneská síla, kteou působí kulička na uku. Tato síla má pohozenou dvojici původce-cíl, opačný smě, stejnou velikost a vzniká a zaniká současně se silou uky na kuličku. Pokud je existence patneské síly třetí vlastností, kteou musí splňovat všechny fyzikální síly, musíme najít patneské síly ke všech zbývajícím silám na obázku uky cvnkající do kuličky. Př. 7: Najdi patneskou sílu k síle, kteou stůl působí na kuličku a dokesli ji do obázku. Patneská síla je přesně popsána stačí sledovat její vlastnosti a konketizovat podle síly stolu na kuličku kulička působí na stůl, kolmo dolů stejně velkou silou. F k- F s F k-s Jediný poblém: nevypadá to, že by kulička takovou silou na stůl opavdu působila, ale: 5
Pokud bychom dželi kuličku v uce cítili bychom její tlak. Pokud by kulička byla položena list papíu, pohnula by ho. Pokud by kulička byla těžší (třeba 500 kg) stůl by se pohnul (nebo pasknul). Ačkoliv na pvní pohled není síla kuličky na stůl vidět, existuje a nepojevuje se, potože je elativně malá v poovnání s konstukcí a účelem stolu. Př. 8: Najdi patneskou sílu k třecí síle, kteou stůl bzdí kuličku a dokesli ji do obázku. Poč není tato síla na pvní pohled viditelná? Patneská síla je přesně popsána stačí sledovat její vlastnosti a konketizovat podle třecí síly stolu na kuličku kulička působí na stůl třecí silou, směem dopava. F k- F s F k-t F k-s Třecí síla stolu, kteá bzdí kuličku je velmi malá (zastavení kuličky jí tvá velmi dlouho) její působení na daleko těžší stůl nebude viditelné. Snadno můžeme najít situace, kdy je třecí síla předmětu na podložku dobře vidět: Na stůl položíme papí a tepve po něm táhneme kabičku (kvádřík) papí se začne pohybovat ve směu pohybu kabičky (ve směu třecí síly kabičky na papí). Kobeec se shne ve směu, kteým po něm šoupeme skříní. Od kol zychlujícího auta odskakují kamínky. Př. 9: Najdi patneskou sílu ke gavitační síle, kteou přitahuje Země kuličku. Patneská síla je přesně popsána stačí sledovat její vlastnosti a konketizovat podle gavitační síly Země na kuličku kulička působí na Zemi gavitační silou směem nahou. Zdá se neuvěřitelné, že by kulička měla táhnout Zemi nahou. Když bychom kuličku zvedli a pustili, tak by kulička měla padat dolů a Země by měla letět nahou. Nic takového nevidíme. Síla, kteou ji kulička přitahuje Zemi nahou je na obovskou hmotnost Země stašlivě malá. Zatímco kulička váží třeba 0,1 kg, váží Země přibližně 6000000000000000000000000 kg. S tak obovskou hmotností nedokáže síla, kteá přitáhne kuličku k Zemi viditelně pohnout. Pokud má být síla, kteou přitahuje Zemi vidět, musí být předmět daleko těžší než kulička. Země přitahuje gavitační silou Měsíc (dží ho na oběžné dáze) a Měsíc působí gavitační silou na Zemi (způsobuje příliv a odliv). Pokud budeme chtít patneskou sílu ke gavitačnímu přitahování nakeslit, musíme použít tochu jiný obázek: 6
F s F k- F k-t F k-s F k-g U každé pavé síly musíme nalézt: * původce (těleso, kteé ji způsobuje), * cíl (těleso, na kteé působí), * patneskou sílu (sílu, kteá má obácenou dvojici původce-cíl, stejnou velikost, opačný smě a vzniká a zaniká současně). Př. 10: Zkontoluj, kteé podmínky splňuje síla F, nakeslená v následujícím obázku: smě pohybu kuličky Původce: po sílu F nemůžeme nalézt původce. Ruka nemůže být původcem této síly, potože ukou nemůžeme působit na dálku (uka působí pouze přímým dotykem). Cíl: cílem síly F je kulička. Patneská síla: nejde nalézt patneskou sílu. Když nemáme původce nemáme ani cíl, na kteý by patneská síla mohla působit. Šipka s popisem F neznázoňuje sílu. I ve fyzice používáme pojem setvačnost, kteý souvisí s tendencí předmětů setvávat ve svém pohybu (kulička setvává v pohybu, do kteého ji uvedla uka). 7
V žádném případě nemůžeme považovat setvačnost za duh síly, kteým uka působí na kuličku i poté, co se jí přestala dotýkat. Setvačnost není síla. Shnutí: U každé síly musíme najít původce, cíl a patneskou sílu. Veličiny, kteé tyto podmínky nesplňují, nemůžeme považovat za síly. 8