Fizika 10. klase: Ņūtona likumi

• Dotais teksts ir pārbaudes darbs fizikā 10. klasei, aptverot Ņūtona likumus, kopspēka aprēķināšanu, līdzsvara nosacījumus un berzes spēku.

Ņūtona likumi

• Apraksta ķermeņu kustības pamatprincipus.

Ņūtona Pirmais Likums (Inerces Likums)

• Ķermenis saglabā miera stāvokli vai vienmērīgu taisnvirziena kustību, ja uz to neidarbojas citi ķermeņi.
• Inerce: ķermeņa spēja pretoties kustības stāvokļa izmaiņām.
• Ja kopspēks ir nulle, ķermenis saglabā savu stāvokli – miera vai vienmērīgas kustības.
• Matemātiskais pieraksts: ja Fkop = 0, tad a = 0.
• Piemēri: Pasažieris tiek "atsviests" atpakaļ, kad auto strauji uzsāk kustību, pasažieris tiek mesti uz priekšu, kad auto strauji bremzē, hokeja ripa uz ledus slīd daudz tālāk nekā uz asfalta, jo uz ledus berzes spēks ir mazāks.

Ņūtona Otrais Likums (Dinamikas Pamatlikums)

• Ķermeņa paātrinājums ir tieši proporcionāls pieliktajam spēkam un apgriezti proporcionāls masai.
• Lielāks spēks rada lielāku paātrinājumu, un lielāka masa samazina paātrinājumu.
• Paātrinājuma virziens sakrīt ar kopspēka virzienu.
• Matemātiskais pieraksts: F = m * a (F - kopspēks, m - masa, a - paātrinājums).
• Piemēri: Ja uz 2 kg smagu ķermeni iedarbojas spēks 10 N, tad paātrinājums ir 5 m/s². Degvielai izdegot raķetes masa samazinās, un paātrinājums palielinās.

Ņūtona Trešais Likums (Mijiedarbības Likums)

• Ja viens ķermenis iedarbojas uz otru ar spēku, tad otrais iedarbojas uz pirmo ar tādu pašu spēku, bet pretējā virzienā.
• Spēki vienmēr darbojas pāros, ir vienādi pēc moduļa, bet pretēji vērsti un darbojas uz dažādiem ķermeņiem.
• Matemātiskais pieraksts: F₁₂ = -F₂₁ (spēki ir pretēji vērsti).
• Piemēri: Cilvēks staigājot spiež uz zemi, un zeme atbild ar tādu pašu spēku, raķete izmet gāzes, un gāzes spiež raķeti pretējā virzienā.
• Svarīgi: Šie spēki nevar savstarpēji līdzsvaroties, jo darbojas uz dažādiem objektiem.

Kopspēka Aprēķināšana

• Kopspēks ir visu uz ķermeni darbojošos spēku vektoriālā summa.
• Kopspēks nosaka ķermeņa paātrinājumu saskaņā ar Ņūtona otro likumu (F = m * a).

Kopspēka Aprēķināšanas Metodes

• Spēku saskaitīšana vienā līnijā:
  • Spēkiem piešķir zīmes atkarībā no virziena un aprēķina algebriski.
  • Matemātiskais pieraksts: Fkop = F₁ + F₂ + F₃ + ... + Fₙ.
  • Piemērs: Ja uz ķermeni pa labi darbojas spēks 5 N un arī 3 N, tad kopspēks ir 8 N pa labi.
• Spēku saskaitīšana dažādos virzienos (vektoriālā saskaitīšana):
  • Izmanto vektoru saskaitīšanas likumus.
  • Grafiskā metode (paralelogramma likums) attēlo spēkus kā vektorus un konstruē paralelogrammu.
  • Komponenšu metode sadala spēkus komponentēs un aprēķina kopspēka komponentes, moduli un virzienu.
    • Fx = F·cos(α) un Fy = F·sin(α)
    • Fkop,x = F₁x + F₂x +... + Fₙx un Fkop,y = F₁y + F₂y +... + Fₙy
    • Fkop = √(Fkop,x² + Fkop,y²)
    • φ = arctan(Fkop,y / Fkop,x)

Līdzsvara Nosacījums

• Ķermenis ir līdzsvarā, ja uz to darbojošos spēku kopspēks ir nulle.
• Matemātiskais pieraksts: Fkop = 0.
• Ekvivalents: Visu spēku x komponenšu summa ir nulle (Fkop,x = 0) un visu spēku y komponenšu summa ir nulle (Fkop,y = 0).

Berzes Spēks un Virsmas Reakcijas Spēks

• Virsmas reakcijas spēks (normālspēks):
  • Spēks, ar kādu virsma iedarbojas uz ķermeni, kas atrodas uz tās.
  • Spēks ir perpendikulārs virsmai.
  • Ja ķermenis atrodas uz virsmas, tas spiež uz virsmu gravitācijas spēka ietekmē, un virsma iedarbojas ar pretēji vērstu spēku.
  • Matemātiskais pieraksts parasti ir N vai Fn.
  • Grāmata uz galda spiež uz galdu, un galds iedarbojas uz grāmatu ar reakcijas spēku N = mg

Virsmas Reakcijas Spēka Aprēķināšana

• Horizontāla virsma: ja uz ķermeni nedarbojas citi vertikāli spēki, tad N = mg (m - masa, g - brīvās krišanas paātrinājums).
• Slīpa virsma: N = mg·cos(α) (α - slīpās virsmas leņķis pret horizontu).
• Papildu vertikāli spēki: N = mg ± F.

Berzes Spēks

• Spēks, kas rodas starp divām virsmām saskarē un pretojas to relatīvai kustībai.
• Vienmēr darbojas paralēli saskares virsmām un ir vērsts pretēji kustībai.
• Atkarīgs no virsmu īpašībām un virsmas reakcijas spēka.

Berzes Spēka Veidi

• Miera berzes spēks:
  • Darbojas, kad ķermenis ir miera stāvoklī un pretojas iespējamai kustībai.
  • Mainās no nulles līdz maksimālajai vērtībai.
  • Matemātiskais pieraksts: Fber,miera ≤ µmiera * N.
• Slīdes berzes spēks:
  • Darbojas, kad ķermenis slīd pa virsmu.
  • Aptuveni nemainīgs un neatkarīgs no kustības ātruma.
  • Matemātiskais pieraksts: Fber,slīdes = µslīdes * N.
• Rites berzes spēks:
  • Darbojas, kad ķermenis rit pa virsmu.
  • Parasti daudz mazāks nekā slīdes berzes spēks.
  • Atkarīgs no ķermeņa rādiusa.
  • Matemātiskais pieraksts: Fber,rites = k * N/r

Berzes Koeficienti

• Atkarīgi no materiāliem un to apstrādes.
• Tabula ar dažādiem materiāliem un to miera un slīdes berzes koeficientiem ir iekļauta tekstā.

Berzes Spēka Aprēķināšanas Piemēri

• Kaste ar masu 5 kg uz horizontālas virsmas, miera berzes koeficients 0.4: maksimālais spēks, ko var izturēt, ir 19.6 N.
• Kaste ar masu 3 kg slīd pa virsmu, slīdes berzes koeficients 0.3: berzes spēks ir 8.82 N.
• Kaste ar masu 2 kg uz slīpas virsmas (30° leņķis), slīdes berzes koeficients 0.25: berzes spēks ir 4.25 N.