Liike ja voima Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä
Tasainen liike Nopeus on fysiikan suure, joka kuvaa kuinka pitkän matkan kappale kulkee tietyssä ajassa. Nopeus voidaan laskea kun kuljettu matka (s) jaetaan siihen käytetyllä ajalla (t). Nopeuden yksikkö saadaan samoin jakamalla matkan yksikkö ajan yksiköllä. Esim. km/h tai m/s v = s t copyright HO 2007 2
Tasainen liike Tasaisella nopeudella kulkiessaan kappale kulkee samassa ajassa aina yhtä pitkän matkan. Jos liike ei ole tasaista voidaan kuitenkin laskea matkan pituuden ja koko matkaan käytetyn ajan avulla keskinopeus. Keskinopeus kuvaa sitä kuviteltua vakionopeutta, jolla matka olisi voitu kulkea samassa ajassa. copyright HO 2007 3
Kiihtyvä liike Liike on kiihtyvää, jos kappaleen Nopeus kasvaa tai Nopeus pienenee tai Nopeuden suunta muuttuu Kiihtyvyys on suure, joka kertoo kuinka suuri on nopeuden muutos tietyssä ajassa. (tunnus a, yksikkö m/s 2 ) Kiihtyvyys on tasaista, jos nopeus muuttuu aina samassa ajassa yhtä paljon. copyright HO 2007 4
Kiihtyvä liike Kiihtyvyyden suuruus voidaan laskea, kun jaetaan nopeuden muutos siihen käytetyllä ajalla. Esim. pudotettu kivi (alussa nopeus 0m/s) liikkuu n. kolmen sekunnin kuluttua nopeudella 30m/s. Kiihtyvyys = 30m 3s s = 10m s copyright HO 2007 5
Vuorovaikutus ja voima Vuorovaikutukseen tarvitaan kaksi kappaletta. Vuorovaikutuksessa molemmat kappaleet vaikuttavat toisiinsa ja kokevat vuorovaikutuksen samanaikaisesti. Vuorovaikutuksen avulla kappaleen liike tai muoto voi muuttua. copyright HO 2007 6
Luokittelu Vuorovaikutus ja voima Etävuorovaikutus-kosketusvuorovaikutus Jatkuva ja hetkellinen vuorovaikutus Vuorovaikutuksen voimakkuutta kuvataan suureella voima. (tunnus F, yksikkö N) Kahden kappaleen vuorovaikutuksessa kappaleiden kokemista voimista käytetään nimitystä voima ja vastavoima pari. copyright HO 2007 7
Vuorovaikutus ja voima Voimia kuvataan voimanuolilla Voiman suuruus Voiman suunta Voiman kohde Kokonaisvoima kuvaa kappaleeseen vaikuttavien voimien summaa. Jos kokonaisvoima on 0N, kappale pysyy paikallaan tai jatkaa tasaista liikettään. Jos kokonaisvoima on nollasta poikkeava, kappaleen nopeus muuttuu. Myös liikesuunta voi muuttua. (ylöspain heitetty taulusieni) copyright HO 2007 8
Hidas ja painava massa Massa on suure, joka kuvaa kappaleen hitautta, eli sen ominaisuutta vastustaa liikkeen muutosta. (tunnus m, yksikkö kg) Suurempimassaisen eli hitaamman kappaleen liike muuttuu kahden kappaleen vuorovaikutuksessa vähemmän kuin pienempimassaisen kappaleen. (esim. iso ja pieni kuula törmäävät) copyright HO 2007 9
Hidas ja painava massa Massa on myös suure, joka kuvaa kappaleen ominaisuutta synnyttää vetovoima ja olla vetovoiman kohteena. Maan massa on suurempi kuin kuun, joten maa vetää kappaletta puoleensa suuremmalla voimalla. Kuussa voisi hypätä korkeammalle kuin maassa. copyright HO 2007 10
Hidas ja painava massa Voimasta, jonka maa aiheuttaa kappaleeseen maan pinnalla, käytetään nimitystä paino. Kappaleen paino, eli voima Newtoneina, jolla maa vetää sitä puoleensa saadaan laskettua kun kerrotaan kilogrammoina ilmoitettu massa kymmenellä. Esim. 5kg repun paino on 50N. copyright HO 2007 11
Tiheys Kahdella samaa ainetta olevalla kappaleella voi olla erilaiset tilavuudet ja niiden massat voivat olla hyvin erilaisia. Tiheys on aineelle ominainen suure, jonka suuruus on samalla aineella aina vakio. (Arvot taulukoitu) Tiheys on suure, joka ilmoittaa kuinka suuri massa on tietynkokoisella kappaleella. copyright HO 2007 12
Tiheys Yleensä tiheys ilmoitetaan muodossa kg/dm 3 tai g/cm 3 (tiheyden yksikkö, lukuarvot samat). Esim. raudan tiheys on 7,87kg/dm 3 eli yhden kuutiodesimetrin kokoisen rautakappaleen massa on 7,87kg. Veden tiheys on 1 kg/dm 3. Yhden vesilitran (=dm 3 ) massa on siis 1kg. copyright HO 2007 13
Tiheys Kappaleen tiheys (ρ) voidaan määrittää laskemalla, jos sen massa ja tilavuus tiedetään. Esim. Punnitaan 10l sangollinen betonia ja saadaan massaksi 21kg. Tiheys = massa tilavuus = 21kg 10dm = 2, 1 3 kg dm 3 copyright HO 2007 14
Kitka Kitka on voima, joka aiheutuu kahden toisiaan hankaavan kappaleen vuorovaikutuksesta. Kitkavoiman suuruus riippuu hankaavien pintojen laadusta sekä kappaleen massasta. Kitkasta on haittaa esimerkiksi koneissa ja liikkuvissa osissa. Kitkasta on hyötyä esimerkiksi liikkeelle lähtemisessä ja pysähtymisessä. copyright HO 2007 15
Lepokitka ja liikekitka Lepokitka on voima, joka vastustaa kappaleen liikkeelle lähtemistä. Lepokitkan suuruus riippuu kappaleeseen kohdistettavan voiman suuruudesta. Kun kappaleeseen kohdistuva voima kasvaa suuremmaksi kuin lepokitkan suurin arvo, kappale lähtee liikkeelle. Liikekitka on kappaleen liikettä vastustava voima. copyright HO 2007 16
Kitkakerroin Kitkakerroin kuvaa kitkavoiman riippuvuutta hankaavista pinnoista. Mitä suurempi kitkakerroin, sitä suurempi kitkavoima kappaleiden välillä on. Esim. kumi-betoni aineparin kitkakerroin on n. 0,8 Kumipohjaista 5kg massaista laatikkoa tasaisella betonilla vedettäessä liikettä vastustavan kitkavoiman suuruus on 0,8 * 50N = 40N copyright HO 2007 17
Kitka Kitkan suuruutta voidaan pienentää esim. voiteluaineilla tai muuttamalla liukukitka vierimisvastukseksi. (Laakerit, pyörät) Kitkaa voidaan suurentaa esim. teitä hiekoittamalla tai käyttämällä nastarenkaita. copyright HO 2007 18
Paine Kynän terävä ja tylppä pää tuntuvat erilaisilta, vaikka niitä painetaan yhtä suurella voimalla. Voiman vaikutus riippuu voiman suuruuden lisäksi myös sen pinta-alan suuruudesta, jolle voima kohdistuu. Paine ilmoittaa, kuinka suuri voima kohdistuu tietylle pinta-alalle. Paineen tunnus on p ja yksikkö Pa. copyright HO 2007 19
Paineen suuruus Paineen suuruus saadaan laskettua, kun tiedetään voiman suuruus sekä pintaala, jolle voima kohdistuu. Painetta laskettaessa voima merkitään newtoneina (N) ja pinta-ala neliömetreinä (m 2 ). Paine = voima vaikutusala copyright HO 2007 20
Ilmanpaine Ilmanpaine aiheutuu siitä, kun maa vetää ilmakehää puoleensa. Ilmanpaine siis puristaa allaan olevia kappaleita ja pintoja. Normaali ilmanpaine maan pinnalla on noin 100 000Pa (=1bar) Ilmanpaine pienenee ylöspäin mentäessä. copyright HO 2007 21
Nesteen paine Nesteen paine aiheutuu siitä, kun maa vetää nestettä puoleensa. Nesteen paine riippuu vain nestekerroksen paksuudesta. Mitä syvemmällä ollaan, sitä suurempi paine. Yhden metrin vesikerros aiheuttaa 10000Pa paineen. Kymmenen metrin vesikerros aiheuttaa 100 000Pa paineen, joka on yhtä suuri kuin ilmakehän aiheuttama paine. copyright HO 2007 22
Noste Kappaletta on helpompi kannatella vedessä, koska vesi aiheuttaa kappaletta ylöspäin tukevan voiman, nosteen. Noste aiheutuu vesikerroksen paksuuden mukaan muuttuvasta paineesta. Alempana on suurempi paine kuin ylempänä. Kappaleeseen kohdistuvan nostevoiman suuruus on yhtä suuri kuin kappaleen syrjäyttämän vesimäärän paino (N). copyright HO 2007 23
Esimerkki Nosteen suuruus Kun kappale, jonka tilavuus on 13dm 3, upotetaan veteen, se syrjäyttää vettä 13dm 3. Syrjäytetyn veden massa on 13kg, joten veden paino on 130N. Kappaleeseen kohdistuva ylöspäin suuntautuva nostevoima on siis 130N. Nosteen suuruus ei riipu kappaleen materiaalista vaan ainoastaan tilavuudesta. copyright HO 2007 24
Kappaleen kelluminen Jos kappaleen tiheys on pienempi kuin nesteen tiheys, se kelluu. Jos kappaleen tiheys on suurempi kuin nesteen, se uppoaa. Jos kappaleen tiheys on yhtä suuri kuin nesteen tiheys, se leijuu nesteen sisässä. copyright HO 2007 25