Сила це – «ЩО МОЖЕ СПРИЧИНИТИ СИЛА?. Сила це фізична величина, що характеризує взаємодію між тілами в усіх куточках Всесвіту. Дією сили пояснюються такі явища, як.». Скачать бесплатно и без регистрации.

Сила (фізична величина)

План:

Введення

• 1 Історія поняття

• 2 Ньютонівська механіка

  • 2.1 Перший закон Ньютона

  • 2.2 Другий закон Ньютона

  • 2.3 Третій закон Ньютона

• 3 Фундаментальні взаємодії

  • 3.1 Гравітація

  • 3.2 Електромагнітна взаємодія

  • 3.3 Сильна взаємодія

  • 3.4 Слабка взаємодія

• 4 Похідні види сил

• 5 Рівнодіюча Джерела Примітки

Введення

Класична механіка

Другий закон Ньютона

Історія … Фундаментальні поняття Простір Час Маса Сила Енергія Імпульс Формулювання Ньютонівська механіка Лагранжевих механіка Гамильтонова механіка Формалізм Гамільтона — Якобі Розділи Прикладна механіка Небесна механіка Механіка суцільних середовищ Геометрична оптика Статистична механіка Вчені Галілей Кеплер Ньютон Ейлер Лаплас Д’Аламбер Лагранж Гамільтон Коші

Див також «Фізичний портал»

Об’єднує всі сили те, що вони викликають прискорене рух масивних тіл і виникнення в цих тілах деформацій.

Сила— векторна фізична величина, що є мірою інтенсивності впливу на дані тіло інших тіл, а також полів. Прикладена до масивному тілу сила є причиною зміни його швидкості або виникнення в ньому деформацій. [1]

Сила як векторна величина характеризуєтьсямодулем,напрямкомі«точкою» додаткасили. Останнім параметром поняття про силу, як векторі у фізиці, відрізняється від поняття про вектор у векторній алгебрі, де рівні по модулю і напрямку вектори, незалежно від точки їх застосування, вважаються одним і тим же вектором. У фізиці ці вектори називаються вільними векторамі.В механіці надзвичайно поширене уявлення про пов’язані векторах, початок яких закріплено в певній точці простору або ж може перебувати на лінії, що продовжує напрям вектора (ковзні вектори). [2].

Також використовується поняття лінія дії сили,що позначає проходить через точку прикладання сили пряму, по якій направлена ​​сила.

Другий закон Ньютона говорить, що в інерціальних системах відліку прискорення матеріальної точки у напрямку співпадає з прикладеною силою, а по модулю прямо пропорційно модулю сили і обернено пропорційно масі матеріальної точки. Або, що еквівалентно, в інерціальних системах відліку швидкість зміни імпульсу матеріальної точки дорівнює прикладеній силі.

При додатку сили до тіла кінцевих розмірів в ньому виникають механічні напруги, що супроводжуються деформаціями. [3] [4] [5] [6]

З точки зору Стандартної моделі фізики елементарних частинок фундаментальні взаємодії ( гравітаційне, слабке, електромагнітне, сильне) здійснюються за допомогою обміну так званими калібрувальними бозонами. [3] Експерименти по фізики високих енергій, проведені в 70-80-х рр.. XX ст. підтвердили припущення про те, що слабке і електромагнітне взаємодії є проявами більш фундаментального електрослабкої взаємодії. [7]

Розмірність сили — LMT ^-2,одиницею виміру в Міжнародній системі одиниць (СІ) є ньютон (N, Н), в системі СГС — дина.

Сила — Википедия

Си́ла — физическая векторная величина, являющаяся мерой воздействия на данное тело со стороны других тел или полей. Приложение силы обусловливает изменение скорости тела или появление деформаций и механических напряжений. Деформация может возникать как в самом теле, так и в фиксирующих его объектах — например, пружинах.

Воздействие всегда осуществляется посредством полей, создаваемых телами и воспринимаемых рассматриваемым телом. Различные взаимодействия сводятся к четырём фундаментальным; согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, эти фундаментальные взаимодействия (слабое, электромагнитное, сильное и, возможно, гравитационное) реализуются путём обмена калибровочными бозонами

[1].

Для обозначения силы обычно используется символ F — от лат. fortis (сильный).

Важнейший физический закон, в который входит сила, — второй закон Ньютона. Он гласит, что в инерциальных системах отсчёта ускорение материальной точки по направлению совпадает с приложенной силой, а по модулю пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки.

Слово «сила» в русском языке является многозначным и нередко используется (само или в сочетаниях, в науке и обиходных ситуациях) в смыслах, отличных от физического определения термина.

Характеристики силы[править | править код]

Сила является векторной величиной. Она характеризуется модулем, направлением и точкой приложения. Также используют понятие линия действия силы

, означающее проходящую через точку приложения силы прямую, вдоль которой направлена сила.

Зависимость силы от расстояния между телами может иметь различный вид, однако, как правило, при больших расстояниях сила стремится к нулю — поэтому отдалением рассматриваемого тела от других тел с хорошей точностью обеспечивается ситуация «отсутствия внешних сил»^[2]. Исключения возможны в некоторых задачах космологии, касающихся тёмной энергии^[3].

Кроме разделения по типу фундаментальных взаимодействий, существуют иные классификации сил, в том числе: внешние—внутренние (то есть действующие на материальные точки (тела) данной механической системы со стороны материальных точек (тел) не принадлежащих этой системе и силы взаимодействия между материальными точками (телами) данной системы^[4]), потенциальные и нет (потенциально ли поле изучаемых сил), упругие—диссипативные, сосредоточенные—распределённые (приложены в одной или многих точках), постоянные или переменные во времени.

При переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую преобразование сил осуществляется так же, как и полей соответствующей природы (например, электромагнитных, если сила электромагнитная). В пределе малых скоростей можно считать силу инвариантом.

Системой сил называется совокупность сил, действующих на рассматриваемое тело или на точки механической системы. Две системы сил называют эквивалентными, если их действие по отдельности на одно и то же твердое тело или материальную точку одинаково при прочих равных условиях^[4].

Уравновешенной системой сил (или системой сил, эквивалентной нулю) называется система сил, действие которой на твердое тело или материальную точку не приводит к изменению их кинематического состояния^[4].

Размерность силы[править | править код]

Размерность силы в Международной системе величин (англ. International System of Quantities, ISQ), на которой базируется Международная система единиц (СИ), и в системе величин

LMT, используемой в качестве основы для системы единиц СГС, — LMT⁻². Единицей измерения в СИ является ньютон (русское обозначение: Н; международное: N), в системе СГС — дина (русское обозначение: дин, международное: dyn).

Равнодействующая системы сил[править | править код]

Если к не закреплённому телу приложено несколько сил, то каждая из них сообщает телу такое ускорение, какое она сообщила бы в отсутствие действия других сил. Это утверждение, основанное на опытных фактах, носит название принципа независимости действия сил (принципа суперпозиции). Поэтому при расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей, а именно геометрической суммой всех действующих сил. В частном случае равенства равнодействующей сил нулю ускорение тела также будет нулевым. На этом основано измерение величины исследуемой силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна.

Измерение сил[править | править код]

Для измерения сил используются два метода: статический

и динамический^[5].

• Статический метод заключается в уравновешивании измеряемой силы другой силой, значение которой известно. Например, в качестве уравновешивающей силы может выступать сила упругости, возникающая в градуированной пружине, деформированной исследуемой силой. На использовании статического метода основаны приборы, называемые динамометрами.
• Динамический метод основан на использовании уравнения второго закона Ньютона ma→=F→{\displaystyle m{\vec {a}}={\vec {F}}}. Уравнение позволяет найти силу F→{\displaystyle {\vec {F}}}, действующую на тело, если известны масса тела m{\displaystyle m} и ускорение a→{\displaystyle {\vec {a}}} его поступательного движения относительно инерциальной системы отсчёта.

В древнем мире[править | править код]

Человечество вначале стало воспринимать понятие силы через непосредственный опыт передвижения тяжёлых предметов. «Сила», «мощность», «работа» при этом были синонимами (как и в современном языке за пределами естествознания). Перенос личных ощущений на объекты природы привёл к антропоморфизму: все предметы, которые могут воздействовать на другие (реки, камни, деревья) должны быть живыми, в живых существах должна содержаться та же сила, которую человек чувствовал в себе.

С развитием цивилизации сила была обожествлена, причём как египетский, так и месопотамский боги силы символизировали не только жестокость и мощь, но и наведение порядка во вселенной^[6]. Всемогущий Бог Библии также несёт в своих именах и эпитетах ассоциации с силой^[7].

В античности[править | править код]

Когда греческие учёные стали задумываться о природе движения, понятие силы возникло как часть учения Гераклита о статике как балансе противоположностей^[8]. Эмпедокл и Анаксагор пытались объяснить причину движения и пришли к понятиям, близким к понятию силы^[8]. У Анаксагора «ум» движет внешней по отношению к нему материей^[9]. У Эмпедокла движение вызывается борьбой двух начал, «любви» (филии) и «вражды» (фобии)

[9], которые Платон рассматривал как притяжение и отталкивание^[10]. При этом взаимодействие, по Платону, объяснялось в терминах четырёх элементов (огня, воды, земли и воздуха): близкие вещи притягиваются, земля к земле, вода к воде, огонь к огню^[11]. В древнегреческой науке каждый элемент также имел своё место в природе, которое старался занять. Таким образом, сила тяжести, например, объяснялась двумя способами: притяжением подобных вещей и стремлением элементов занять своё место^[12]. В отличие от Платона, Аристотель последовательно занимал вторую позицию, что отложило концепцию общей силы тяготения, которая бы объясняла движение земных и небесных тел, до времён Ньютона^[12].

Для обозначения понятия силы Платон использовал термин «динамис» («возможность» движения). Термин употреблялся в расширенном смысле, близком к современному понятию мощности: химические реакции, тепло и свет все также представляли собой динамисы^[13].

Аристотель рассматривал две разные силы: присущую самому телу («природу», физис) и силу, с которой одно тело тянет или толкает другое (при этом тела должны быть в контакте)^[14]. Именно это понятие о силе и легло в основу аристотелевой механики, хотя дуализм и препятствовал количественному определению силы взаимодействия двух тел (так как вес был природной силой, не связанной с взаимодействием, и потому не мог использоваться в качестве стандарта)^[15]. В случае природного движения (падения тяжёлого или подъёма лёгкого тела) Аристотель предложил формулу для скорости в виде отношения плотностей движущегося тела A и среды, сквозь которую происходит движение, B: v=A/B^[16] (очевидная проблема для случая равных плотностей была отмечена уже в VI веке^[17]).

Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед^[18]. Архимед рассматривал силы в статике и чисто геометрически, и потому его вклад в развитие понятия силы незначителен^[19].

Вклад в развитие понятие силы внесли стоики. Согласно их учению, силы неразрывно связывали два тела через дальнодействующую «симпатию» или (у Посидония) через всеобщее напряжение, пронизывающее всё пространство. Стоики пришли к этим выводам путём наблюдения за приливами, где взаимодействие Луны, Солнца и воды в океане было трудно объяснить с позиции Аристотелева близкодействия (сам Аристотель считал, что Солнце, садясь в океан, вызывает ветры, приводящие к приливам)^[20].

В доклассической механике[править | править код]

Бэкон и Оккам вернули в науку идею о дальнодействии.

Бэкон называл дальнодействующие силы species (обычно этот специфичный для Бэкона термин не переводится) и рассматривал их распространение в среде как цепочку близких взаимодействий. Такие силы, по Бэкону, имели вполне телесный характер, ближайшим эквивалентом в современной физике является волна^[21].

Оккам первым отказался от аристотелевского описания взаимодействия как непосредственного контакта и декларировал возможность движителя воздействовать на движимое на расстоянии, приведя в качестве одного из примеров магниты^[22].

Ревизии подвергалась и аристотелевская формула v=A/B. Уже в VI веке Иоанн Филопон рассматривал в качестве правой части разность A-B, что кроме проблемной ситуации с одинаковыми плотностями позволило также описать движение в вакууме^[23]. В XIV веке Брадвардин предложил формулу v=log(A/B)^[24].

У Кеплера[править | править код]

Взгляды Кеплера на силу претерпели быстрое изменение. Ещё в 1600 году Кеплер рассматривает силы как свойство, подобное душе, которое руководит движением небесных тел. Однако уже к 1605 году Кеплер пришёл к выводу, что притяжение — это не действие, а реакция, силы притяжения относятся к материальному миру и подлежат математическому изучению. В 1607 году Кеплер пришёл к выводу, что приливы вызываются воздействием силы притяжения Луны на океаны^[25]. По мнению М. Дженнера, Кеплер пришёл к идее единой теории тяготения, охватывающей как падение тел, так и движение Луны, до Ньютона^[26].

В классической механике[править | править код]

С зарождением классической механики Бекманом и Декартом был сформулирован закон сохранения количества движения. После осознания этого факта, который похоронил аристотелевскую связь силы и скорости, у исследователей оставалось два выхода: определить силу как причину изменения скорости или отбросить понятие силы как таковое. Сам Декарт вначале применял понятие силы, чтобы объяснить ускоренное падение тела на землю, но со временем в попытке геометризации физики пришёл к выводу, что понятие силы является искусственным, и в 1629 году описывал процесс свободного падения без упоминания «силы»^[27]. С другой стороны, Галилей недвусмысленно рассматривал силу как причину увеличения скорости свободного падения^[28].

У Ньютона[править | править код]

В трудах Ньютона понятие силы было тесно связано с тяготением, поскольку интерпретация кеплеровских результатов в области движения планет в то время занимала все умы^[29]. Впервые понятие силы (лат. vis) встречается у Ньютона в «Началах» в двух контекстах: «присущей силы» (лат. vis insita), ньютоновской силы инерции и «приложенной силы» (лат. vis impressa), отвечающей за изменение движения тела. Ньютон также отдельно выделял центростремительную силу (к которой относил тяготение) с несколькими разновидностями: абсолютную силу (подобную современному полю тяготения), ускоряющую силу (эффект тяготения на единицу массы, современное ускорение) и движущую (произведение массы на ускорение)^[30]. Ньютон не даёт общего определения силы. Как отмечает М. Дженнер, второй закон Ньютона не является определением силы у самого автора закона (который явно различал определения и законы), сила у Ньютона является пресуществующим понятием, интуитивно эквивалентным силе мускулов^[31].

Современность[править | править код]

Конец XX века охарактеризовался спорами о том, необходимо ли в науке понятие силы и существуют ли силы в принципе — или это только термин, введённый для удобства^[32].

Бигелоу с соавторами в 1988 году аргументировали, что силы по сути определяют причинно-следственные отношения и потому не могут быть отброшены^[33]. М. Джеммер на это возразил, что в Стандартной модели и других физических теориях сила трактуется лишь как обмен моментом импульса, понятие силы потому сводится к более простому «взаимодействию» между частицами. Это взаимодействие описывается в терминах обмена дополнительными частицами (фотонами, глюонами, бозонами и, возможно, гравитонами)^[32]. Джеммер приводит следующее упрощённое пояснение: два конькобежца скользят по льду плечо к плечу, у обоих в руках находится по мячу. Быстрый и одновременный обмен мячами приведёт к отталкивающему взаимодействию^[34].

Стиннер отмечает, что эйнштейновский принцип эквивалентности сил гравитации и инерции по сути уничтожает понятие силы, в общей теории относительности внешние силы (F из уравнения F=ma) отсутствуют^[35].

Ньютон задался целью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это, он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общим законам сохранения. В 1687 г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд «Математические начала натуральной философии», в котором изложил три основополагающих закона классической механики (законы Ньютона)^[36][37].

Первый закон Ньютона[править | править код]

Первый закон Ньютона утверждает, что существуют системы отсчёта, в которых тела сохраняют состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действий на них со стороны других тел или при взаимной компенсации этих воздействий^[37]. Такие системы отсчёта называются инерциальными. Ньютон предположил, что каждый массивный (подразумевается: «обладающий массой», а не «громоздкий») объект имеет определённый запас инерции, характеризующий «естественное состояние» движения этого объекта. Эта идея отрицает взгляд Аристотеля, который рассматривал только покой «естественным состоянием» объекта. Первый закон Ньютона противоречит аристотелевской физике, одним из положений которой является утверждение о том, что тело может двигаться с постоянной скоростью лишь под действием силы. Тот факт, что в механике Ньютона в инерциальных системах отсчёта покой неотличим от равномерного прямолинейного движения, является обоснованием принципа относительности Галилея. Среди совокупности тел принципиально невозможно определить, какие из них находятся «в движении», а какие «покоятся». Говорить о движении можно лишь относительно конкретной системы отсчёта. Законы механики выполняются одинаково во всех инерциальных системах, другими словами, все они механически эквивалентны. Последнее следует из так называемых преобразований Галилея^[38].

Второй закон Ньютона[править | править код]

Второй закон Ньютона имеет вид:

ma→=F→.{\displaystyle m{\vec {a}}={\vec {F}}.}

где m{\displaystyle m} — масса материальной точки, a→{\displaystyle {\vec {a}}} − её ускорение, F→{\displaystyle {\vec {F}}} — равнодействующая приложенных сил. Считается, что это «вторая самая известная формула в физике», хотя сам Ньютон никогда явным образом не записывал свой второй закон в этом виде. Впервые данную форму закона можно встретить в трудах К. Маклорена и Л. Эйлера.

Поскольку в любой инерциальной системе отсчёта ускорение тела одинаково и не меняется при переходе от одной системы к другой, сила тоже инвариантна по отношению к такому переходу.

Во всех явлениях природы сила, независимо от своего происхождения, проявляется только в механическом смысле, то есть как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела в инерциальной системе координат. Обратная ситуация, а именно установление факта такого движения, свидетельствует не об отсутствии действующих на тело сил, а лишь о том, что действия этих сил взаимно уравновешиваются. Иначе: их векторная сумма есть вектор с модулем, равным нулю.

Второй закон Ньютона не играет роль определения силы, но позволяет находить её величину. Например, знание массы планеты и её центростремительного ускорения при движении по орбите позволяет вычислить величину силы гравитационного притяжения, действующей на эту планету со стороны Солнца.

Третий закон Ньютона[править | править код]

Для любых двух тел (назовём их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона утверждает, что сила действия тела 1 на тело 2 сопровождается появлением равной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 1 со стороны тела 2^[39]. Математически закон записывается так:

F→1,2=−F→2,1.{\displaystyle {\vec {F}}_{1,2}=-{\vec {F}}_{2,1}.}

Этот закон означает, что силы всегда возникают парами «действие-противодействие»^[37]. Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел, равна нулю:

F→1,2+F→2,1=0.{\displaystyle {\vec {F}}_{1,2}+{\vec {F}}_{\mathrm {2,1} }=0.}

Это означает, что в замкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (то есть такой, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением. Отдельные части системы могут ускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остаётся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако, в случае, если внешние силы подействуют на систему, её центр масс начнёт двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы^[1].

Кроме того, так как силы взаимодействия всегда направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие точки, равен нулю и суммарный момент этих сил (относительно любой точки):

(r→1−r→0)×F→1,2+(r→2−r→0)×F→2,1=(r→1−r→2)×F→1,2=0{\displaystyle ({\vec {r}}_{1}-{\vec {r}}_{0})\times {\vec {F}}_{1,2}+({\vec {r}}_{2}-{\vec {r}}_{0})\times {\vec {F}}_{\mathrm {2,1} }=({\vec {r}}_{1}-{\vec {r}}_{2})\times {\vec {F}}_{1,2}=0}

Все силы в природе основаны на четырёх типах фундаментальных взаимодействий. Максимальная скорость распространения всех видов взаимодействия равна скорости света в вакууме. Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами, гравитационные — между массивными объектами. Сильное и слабое проявляются только на очень малых расстояниях, они ответственны за возникновение взаимодействия между субатомными частицами, включая нуклоны, из которых состоят атомные ядра.

Интенсивность сильного и слабого взаимодействия измеряется в единицах энергии (электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина «сила» объясняется существующей с античности традицией объяснять любые явления в окружаемом мире действием специфических для каждого явления «сил».

Понятие силы не может быть применено по отношению к явлениям субатомного мира. Это понятие из арсенала классической физики, ассоциирующейся (пусть даже только подсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих на расстоянии. В субатомной физике таких сил уже нет: их заменяют взаимодействия между частицами, происходящие через посредство полей, то есть каких-то других частиц. Поэтому физики высоких энергий избегают употреблять слово сила, заменяя его словом взаимодействие^[40].

Взаимодействие каждого типа обусловлено обменом соответствующими «переносчиками»: электромагнитное — виртуальными фотонами, слабое — векторными бозонами, сильное — глюонами (а на больших расстояниях — мезонами). В отношении гравитационного взаимодействия имеются теоретические предположения (например, в теории струн или М-теории), что с ним также может быть связан свой переносчик-бозон, называемый гравитоном, но его существование пока не доказано. Эксперименты по физике высоких энергий, проведённые в 70−80-х годах XX в., подтвердили идею о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более глобального электрослабого взаимодействия^[41]. В настоящее время делаются попытки объединения всех четырёх фундаментальных взаимодействий в одно (так называемая теория великого объединения).

Всё многообразие проявляющих себя в природе сил в принципе может быть сведено к этим четырём фундаментальным взаимодействиям. Например, трение − это проявление электромагнитных сил, действующих между атомами двух соприкасающихся поверхностей, и принципа запрета Паули^[42], который не позволяет атомам проникать в область друг друга. Сила, возникающая при деформации пружины, описываемая законом Гука, также является результатом действия электромагнитных сил между частицами и принципа запрета Паули, заставляющих атомы кристаллической решётки вещества удерживаться около положения равновесия^[1].

Однако на практике оказывается не только нецелесообразной, но и просто невозможной по условиям задачи подобная детализация рассмотрения вопроса о действии сил.

Гравитация[править | править код]

Гравитация (сила тяготения) — универсальное взаимодействие между любыми видами материи. В рамках классической механики описывается законом всемирного тяготения, сформулированным Ньютоном в уже упомянутом труде «Математические начала натуральной философии». Ньютон получил величину ускорения, с которым Луна движется вокруг Земли, положив при расчёте, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им же было установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим, пропорционально произведению масс этих тел^[43]. На основании этих двух выводов был сформулирован закон тяготения: любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой F{\displaystyle F}, прямо пропорциональной произведению масс (m1{\displaystyle m_{1}} и m2{\displaystyle m_{2}}) и обратно пропорциональной квадрату расстояния r{\displaystyle r} между ними:

F=Gm1m2R2.{\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{R^{2}}}.}

Здесь G{\displaystyle G} − гравитационная постоянная^[44], значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш. Используя данный закон, можно получить формулы для расчёта силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел. Однако, в её основе лежит концепция дальнодействия, противоречащая теории относительности. Поэтому классическая теория тяготения неприменима для описания движения тел, перемещающихся со скоростью, близкой к скорости света, гравитационных полей чрезвычайно массивных объектов (например, чёрных дыр), а также переменных полей тяготения, создаваемых движущимися телами, на больших расстояниях от них^[45].

Более общей теорией гравитации является общая теория относительности Альберта Эйнштейна. В ней гравитация не характеризуется инвариантной силой, не зависящей от системы отсчёта. Вместо этого свободное движение тел в гравитационном поле, воспринимаемое наблюдателем как движение по искривлённым траекториям в трёхмерном пространстве-времени с переменной скоростью, рассматривается как движение по инерции по геодезической линии в искривлённом четырёхмерном пространстве-времени, в котором время в разных точках течёт по-разному. Причем эта линия в некотором смысле «наиболее прямая» — она такова, что пространственно-временной промежуток (собственное время) между двумя пространственно-временными положениями данного тела максимален. Искривление пространства зависит от массы тел, а также от всех видов энергии, присутствующих в системе^[1].

Электромагнитное взаимодействие[править | править код]

Электростатическое поле (поле неподвижных зарядов)

Развитие физики после Ньютона добавило к трём основным (длина, масса, время) величинам электрический заряд с размерностью «кулон» (C). Однако, исходя из требований практики, в качестве основной единицы измерения стали использовать не единицу заряда, а единицу силы электрического тока. Так, в системе СИ основной единицей является ампер, а единица заряда — кулон — производная от него.

Поскольку заряд как таковой не существует независимо от несущего его тела, электрическое взаимодействие тел проявляется в виде рассматриваемой в механике силы, служащей причиной ускорения. Применительно к электростатическому взаимодействию двух точечных зарядов с величинами q1{\displaystyle q_{1}} и q2{\displaystyle q_{2}}, располагающихся в вакууме, используется закон Кулона. В форме, соответствующей системе СИ, он имеет вид:

F→12=14πε0⋅q1⋅q2r122r→12r12,{\displaystyle {\vec {F}}_{12}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r_{12}^{2}}}{\frac {{\vec {r}}_{12}}{r_{12}}},}

Сила. Види сили. Сили в живій природі

Сила. Види сили. Сили в живій природі

У природі тіла постійно взаємодіють між собою. Наприклад, вітер наповнює вітрила і рухає човен, м’яч рухається під дією сили м’язів, Земля притягує Місяць. Під час опису таких процесів у науці не завжди вказують, яке тіло і як діє на інше, просто кажуть, що на тіло діє сила. У результаті взаємодії тіл змінюється їхня швидкість, у деяких випадках трансформується і форма тіла або його частини. Наприклад, під впливом зовнішніх сил стиснута пружина може змінювати форму — деформуватися.

Отже, поняття «сила» використовують для характеристики впливу одного тіла на інше. Силу можна виміряти. Для вимірювання числового значення сили використовується спеціальний прилад — динамометр (у перекладі з грецької мови «dynamis» — сила, «metreo» — вимірюю).

Динамометр складається з пружини, один кінець якої закріплений на дощечці, а другий вільний і закінчується гачком. Дощечка має поділки — шкалу із зазначенням одиниць виміру сили. Підвішуючи різні фізичні тіла на гачечок, можна визначити силу тяжіння цих тіл.

За одиницю виміру сили прийнято вважати 1 ньютон (Н), названу на честь англійського вченого Ісаака Ньютона, який відкрив закон всесвітнього тяжіння.

Сила характеризується напрямком, у якому вона діє, точкою, до якої прикладається, та числовим значенням.

Сила — це фізична величина, яка кількісно характеризує дію одного тіла на інше.

Розрізняють такі види сил: сила тяжіння, сила пружності, сила тертя та інші.

Силу, з якою Земля притягує до себе різні тіла, називають силою земного тяжіння. Вона завжди спрямована вертикально вниз. Сила тяжіння буде більшою в того тіла, яке має більшу масу.

У навколишньому світі існує безліч прикладів сили тяжіння: Місяць обертається навколо Землі по певній орбіті; штучні супутники, запущені із Землі, обертаються по орбітах; тече вода в річках; сходять снігові лавини в горах; будь-яке тіло, підкинуте вгору, падає вниз; стебло рослин росте вгору, а корінь — завжди вниз.

Сила пружності виникає, коли дія одного тіла на інше приводить до деформації цього тіла або його частини. Тіло прагне відновити свою форму, тому в ньому виникає сила пружності. Коли сила пружності дорівнює силі тяжіння, тіло набуває стану спокою. У стані спокою знаходяться всі тіла, розташовані на якійсь опорі або підвішені на мотузці, нитці, тросі. Прикладами сили пружності можуть бути дерева, які гнуться від вітру, але не ламаються; пружність повітря, яке знаходиться в шинах машин; використання пружин у різних механізмах, наприклад, у терезах.

Сила тертя виникає між поверхнями тіл, які взаємодіють. Вона завжди спрямована проти руху тіла. Сила тертя тим більша, чим більше нерівностей у вигляді заглибин і виступів є на поверхні тіл, що взаємодіють. Наприклад: спортивне взуття футболістів, бігунів з шипованою підошвою; шиповані шини машин, якими користуються взимку; шини, які мають певний об’ємний малюнок — протектор.

Якщо необхідно зменшити силу тертя, використовують мастила. Наприклад, змащують лижі, запчастини деталей машин, які взаємодіють. Це дозволяє запобігти пошкодженню, зношуванню цих деталей під дією сили тертя.

3.4. Сили в механіці

Науці відомо чотири фундаментальних види взаємодії: гравітаційна, електромагнітна, слабка, сильна (ядерна). У механіці вивчають гравітаційну і електромагнітну взаємодії. Сили пружності, сили тертя, сили реакції опору, сили натягу мають електромагнітну природу.

Сила тяжіння – це сила, з якою тіла притягаються до Землі. Вона спрямована перпендикулярно поверхні землі. Точка прикладання сили тяжіння – центр мас даного тіла (рис. 3.3).

Рис.3.3

законом Ньютона. У цьому разі внаслідок притягнення тіла до Землі. Сила також діє перпендикулярно опорі (рис. 3.4,а).

Сила натягу (Т або ) – це сила, що виникає при взаємодії тіла з підвісом унаслідок притягнення тіла до Землі (рис. 3.4,б).

Тертям називається явище взаємодії дотичних тіл, що перешкоджає їхньому відносному переміщенню. Розрізняють внутрішнє, зовнішнє і в’язке тертя. Внутрішнє тертя – це тертя, яке виникає між частинами одного тіла. В’язке тертя з’являється при русі тіла в рідині або газі.

Сила зовнішнього тертя – це сила, що виникає при пере-міщенні одного тіла по поверхні іншого. Сила зовнішнього тертя завжди спрямована у бік, протилежний напрямку руху тіла. Силу зовнішнього тертя обчислюють за формулою:

, (3.14)

де N– сила реакції опори, μ – коефіцієнт тертя.

Розрізняють три види зовнішнього тертя: тертя спокою, тертя ковзання, тертя кочення (рис.3.5).

Для цих видів тертя існує таке співвідношення між коефіцієнтами тертя:

μ_сп > μ_ков > μ_коч..

Причина зовнішнього тертя – це шорсткість поверхні тіл, що взаємодіють, а також взаємодія між атомами дотичних тіл. Для

зменшення тертя поверхню взаємодіючих тіл шліфують, полірують і змазують мастилами.

тертя спокою тертя ковзання тертя кочення

Рис. 3.5

Деформація – це процес зміни розмірів і форми тіл під дією сили.

Розглядають два види деформації: деформація першого роду – зовнішні сили діють перпендикулярно до поверхні, що деформується; деформація другого роду – зовнішні сили дотичні до поверхні, що деформується (деформація зсуву).

Рис. 3.6

Мірою деформації є абсолютний зсув з положення рівноваги (подовження) . При пружній деформації виникаєсила пружності (рис. 3.6). Експерименти свідчать, що пружна деформація пропорційна силі пружності. Залежність між і пружною деформацією знайшов англійський вчений Гук.

Закон Гука: сила пружності прямо пропорційна зсуву і спрямована у бік протилежний зсуву. Формула закона Гука:

або, (3.5)

де k – коефіцієнт пружності (жорсткості).

Коефіцієнт k – залежить від речовини, з якої виготовлено тіло і чисельно дорівнює силі, що потрібна для подовження тіла на одиницю довжини:

При деформації (розтягуванні або стискуванні) стрижнів (рис.3.7) закон Гука записують у вигляді:

(3.16)

де механічна напруга, S – площа перерізу стрижня, – відносна деформація; модуль Юнга.

З формули (3.16) випливає, що модуль Юнга дорівнює механічній напрузі, при якій відносна деформація :_,

При деформації зсуву (рис.3.8) шари тіла зміщуються паралельно площі зсуву і закон Гука записують у вигляді:

(3.17)

де –механічна напруга; – відносна деформація;

модуль зсуву.

Рис. 3.7 Рис. 3.8

Збільшення довжини при деформації розтягування (стискування) супроводжується зменшенням площі перерізу. Зміна форми тіла при деформації характеризується коефіцієнтом Пуассона :

(3.18)

де діаметр стрижня; зміна діаметра стрижня.

Модулі Юнга, зсуву і коефіцієнт Пуассона пов’язані між собою співвідношенням:

Деформації реальних твердих тіл підлягають закону Гука лише при малих напруженнях та невеликих деформаціях. Діаграма напруження (залежність відносної деформації від механічного напруження) для металевого стрижня приведена на рис.3.9. На ділянці 0-1 діаграми відносна деформація пропорційно залежить від

Рис. 3.9

механічного напруження та повністю відповідає закону Гука до значення напруження межі пропорційності. Ділянка діаграми 1-2 відповідає пружній деформації, але залежність не є пропорційною, а значення напруження є межею пружності. Область І (рис. ) являє собою область пружних деформацій, тобто в цій області після припинення дії сили не виникають залишкові деформації і тіло повертається до початкових розмірів вздовж лінії 2-1-0. При подальшому збільшенні навантаження в тілі (ділянка 2-3) виникають залишкові деформації і після припинення дії сили тіло повертається в попередній стан вздовж паралельної кривої 3-0. Значення механічного напруження при якому з’являється залишкова деформація (0-0¹), називається межею текучості. Після межі текучості (точка 3) для пластичних тіл спостерігається збільшення деформації без росту напруження, тобто на горизонтальній ділянці 3-4 тіло починає „текти”. Площа стрижнязавдяки видовженню зменшується, то механічна напруга дещо збільшується (4-5). Значення максимального механічного напруженняпри якому ще не виникає руйнування тіла, називається межею міцності, що відповідає точці 5 на діаграмі. Область ІІ на графіку (рис.2.28) називається областю пластичних деформацій. За межею міцності після точки 5 (область ІІІ) зразок руйнується.

Поняття сили у фізиці

Існує величезна різноманітність понять «сила». Воно вживається в різних областях науки і життєдіяльності. Найбільш широке визначення дається в фізиці.

У фізиці сила представляє собою міру взаємодії різних тіл.

Всі тіла в навколишньому світі взаємно впливають один на одного. Подібна взаємодія породжується певними силами. Ці силові процеси безпосередньо пов’язані:

• зі зміною швидкості;
• з деформацією тіл.

Формула сили формує певну математичну модель, згідно з якою відбувається історія дослідження залежності сили від основних параметрів. Результатом досліджень повинні стати експериментальні докази існування подібної залежності.

Сила має в системі СІ власну одиницю виміру. Для визначення цього показника застосовують спеціальне наукове обладнання. Найпростішим приладом при вимірюванні сили є динамометр.

Це прилад порівнює силу, яка діє на тіло, з силою пружності пружини, встановленої в силометрія.

Сила є векторною величиною і визначається:

• точкою прикладання;
• напрямком дії;
• абсолютною величиною.

Сила в 1 ньютон (Н) – сила, під дією якої тіло в 1 кілограм змінює власну швидкість на 1 метр за одну секунду.

При описі сили в обов’язковому порядку зазначаються її параметри.

Сила тиску

Існує кілька видів взаємодій, які мають природний початок:

• гравітаційна взаємодія;
• електромагнітні взаємодії;
• слабкі і сильні взаємодії.

Гравітаційні поля є основою виникнення гравітаційних сил.

Вони оточують будь-яке тіло, яке має масу. Сила тяжіння – це сила всесвітнього тяжіння, включаючи її різновиди. В даний час активно вивчається взаємодія гравітаційних полів у Всесвіті і дослідження поки не можуть дати точних відповідей на багато питань, в тому числі щодо природи виникнення і існування таких сил. Джерело глобального поля поки знайти не вдалося, проте відомо, що значна частина гравітаційних сил виникає через електромагнітної взаємодії на атомному рівні. Як відомо, всі речовини складаються з атомів і молекул. Цей факт став основою всіх сучасних досліджень в даній сфері.

Гравітаційні сили при взаємодії тіл з поверхнею Землі чинять тиск. Сила тиску визначається масою тіла (m) і її можна побачити у формулі P = mg, де g – прискорення вільного падіння. Ця величина має різні показники на різних широтах планети.

Сила вертикального тиску дорівнює по абсолютній величині, але протилежна щодо направлення сили пружності. В такому випадку формула сили буде змінюватися виходячи з руху тіла.

Вага тіла зазвичай представляють у вигляді дії тіла на опору після взаємодії з Землею. Величина ваги тіла залежить від прискорення руху, яке відбувається у вертикальному напрямку. Збільшення ваги спостерігається при зміні напрямку прискорення. Воно повинно діяти в протилежному напрямку прискорення вільного падіння. Зменшення ваги спостерігається при прискоренні тіла. Воно повинно співпадати з напрямом вільного падіння.

Сила пружності

При деформації форми тіла з’являється ще одна сила. Вона спрямована на те, щоб повернути тілу первісний стан. Сила пружності може виникнути при електричному взаємодії частинок. Деформації бувають двох основних видів: стиснення і розтягнення. При розтягуванні відбувається збільшення лінійних розмірів тіла. Стиснення характеризується зворотним процесом, в ході якого спостерігається зменшення лінійних розмірів тіла.

Формула сили пружності має наступний вигляд:

Fy = kx

Вона використовується тільки при пружних деформаційних процесах.

Взаємодія магнітного поля зі струмом
Закон Ампера описує вплив магнітного поля на провідник зі струмом, який поміщений в нього.

Силові прояви викликаються при взаємодії магнітного поля і електричним зарядом, що знаходиться в русі.

Сила Ампера визначається за формулою:

F = IBlsinα,

де:

• I – сила струму в провіднику,
• L – довжина активної частини провідника,
• В – магнітна індукція.

Така залежність говорить про те, що вектор дії магнітного поля змінюється при розвороті провідника, а також при зміні напрямку струму.

Сила Лоренца

У дослідженні елементарних частинок активно використовуються дані спектограф, де фіксується рівень взаємодії магнітного поля з зарядом. У подібному процесі виникає інша сила, яку охарактеризував за допомогою свого рівняння Лоренц. Вона виникає при попаданні в магнітне поле зарядженої частинки, яка рухається з певною швидкістю.

Сила Лоренца визначається формулою у вигляді:

F = vBqsinα, де:

• V – модуль швидкості частинки,
• В – магнітна індукція поля,
• Q – електричний заряд, що вивчається частки.

Ця сила викликає рух зарядженої частинки по колу.

Взаємодія магнітного поля і речовини використовується в циклотронах, де намагаються народити процес термоядерної реакції, проте до цих пір не існує ефективного способу створення нового джерела енергії.

Сила струму і робота сили

Сила струму – основна величина, яка характеризує протікання струму в провіднику.

Формула $ = q / t, де q – заряд, t – час протікання, включає заряд, що протікає за одиницю часу через поперечний переріз провідника.

Роботою сили називають таку фізичну величину, яка за чисельним складом дорівнює добутку сили на переміщення. Вона повинна бути досягнута шляхом впливу. Силовий вплив на речовина супроводжується вчиненням роботи.

Сила роботи виражається наступною формулою A = FScosα, яка включає в себе величину сили. Сама дія тіла відбувається при зміні швидкості тіла, а також можливої ​​деформації. Це означає, що йдуть одночасні зміни енергії. Робота сили лежить в прямій залежності від її величини.

« Об’єкти стандартизації Механічний рух і його види »

Сила — это… Что такое Сила?

Си́ла — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нём деформаций.^[1]

Сила как векторная величина характеризуется модулем, направлением и «точкой» приложения силы. Последним параметром понятие о силе, как векторе в физике, отличается от понятия о векторе в векторной алгебре, где равные по модулю и направлению векторы, независимо от точки их приложения, считаются одним и тем же вектором . В физике эти векторы называются свободными векторами. В механике чрезвычайно распространено представление о связанных векторах, начало которых закреплено в определённой точке пространства или же может находиться на линии, продолжающей направление вектора (скользящие векторы).^[2].

Также используется понятие линия действия силы, обозначающее проходящую через точку приложения силы прямую, по которой направлена сила.

Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальных системах отсчета ускорение материальной точки по направлению совпадает с приложенной силой, а по модулю прямо пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки. Или, что эквивалентно, в инерциальных системах отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе.

При приложении силы к телу конечных размеров в нём возникают механические напряжения, сопровождающиеся деформациями.^[3][4][5][6]

С точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц фундаментальные взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются посредством обмена так называемыми калибровочными бозонами.^[3] Эксперименты по физике высоких энергий, проведённые в 70−80-х гг. XX в. подтвердили предположение о том, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются проявлениями более фундаментального электрослабого взаимодействия.^[7]

Размерность силы — LMT⁻², единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является ньютон (N, Н), в системе СГС — дина.

История понятия

Понятие силы использовали ещё ученые античности в своих работах о статике и движении. Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. э. Архимед.^[8] Представления Аристотеля о силе, связанные с фундаментальными несоответствиями, просуществовали в течение нескольких столетий. Эти несоответствия устранил в XVII в. Исаак Ньютон, используя для описания силы математические методы. Механика Ньютона оставалась общепринятой на протяжении почти трехсот лет.^[5] К началу XX в. Альберт Эйнштейн в теории относительности показал, что ньютоновская механика верна лишь в при сравнительно небольших скоростях движения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положения кинематики и динамики и описав некоторые новые свойства пространства-времени.

Ньютоновская механика

Исаак Ньютон задался целью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это, он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общим законам сохранения. В 1687 г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд «Математические начала натуральной философии», в котором изложил три основополагающих закона классической механики (знаменитые законы Ньютона).^[5][9]

Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона утверждает, что существуют системы отсчета, в которых тела сохраняют состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии действий на них со стороны других тел или при взаимной компенсации этих воздействий.^[9] Такие системы отсчета называются инерциальными. Ньютон предположил, что каждый массивный объект имеет определенный запас инерции, который характеризует «естественное состояние» движения этого объекта. Эта идея отрицает взгляд Аристотеля, который рассматривал покой «естественным состоянием» объекта. Первый закон Ньютона противоречит аристотелевской физике, одним из положений которой является утверждение о том, что тело может двигаться с постоянной скоростью лишь под действием силы. Тот факт, что в механике Ньютона в инерциальных системах отсчёта покой физически неотличим от равномерного прямолинейного движения, является обоснованием принципа относительности Галилея. Среди совокупности тел принципиально невозможно определить какие из них находится «в движении», а какие «покоятся». Говорить о движении можно лишь относительно какой-либо системы отсчета. Законы механики выполняются одинаково во всех инерциальных системах отсчета, другими словами все они механически эквивалентны. Последнее следует из так называемых преобразований Галилея.^[10]

Прямолинейное равномерно ускоряющееся движение в одной инерциальной системе в общем случае будет параболическим в другой равномерно двигающейся инерциальной системе отсчёта.

Например, законы механики абсолютно одинаково выполняются в кузове грузовика, когда тот едет по прямому участку дороги с постоянной скоростью и когда стоит на месте. Человек может подбросить мячик вертикально вверх и поймать его через некоторое время на том же самом месте вне зависимости от того движется ли грузовик равномерно и прямолинейно или покоится. Для него мячик летит по прямой. Однако для стороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория движения мячика имеет вид параболы. Это связано с тем, что мячик относительно земли движется во время полета не только вертикально, но и горизонтально по инерции в сторону движения грузовика. Для человека, находящегося в кузове грузовика не имеет значения движется ли последний по дороге, или окружающий мир перемещается с постоянной скоростью в противоположном направлении, а грузовик стоит на месте. Таким образом, состояние покоя и равномерного прямолинейного движения физически неотличимы друг от друга.

Второй закон Ньютона

Хотя второй закон Ньютона традиционно записывают в виде: , сам Ньютон записывал его несколько иначе^[как?]

Второй закон Ньютона в современной формулировке звучит так: в инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна векторной сумме всех сил, действующих на эту точку.

где − импульс материальной точки, − суммарная сила, действующая на материальную точку. Второй закон Ньютона гласит, что действие несбалансированных сил приводит к изменению импульса материальной точки^[9].

По определению импульса:

где − масса, − скорость.

В классической механике при скоростях движения много меньше скорости света масса материальной точки считается неизменной, что позволяет выносить её при этих условиях за знак дифференциала :

Учитывая определение ускорения точки, второй закон Ньютона принимает вид:

Считается, что это «вторая самая известная формула в физике», хотя сам Ньютон никогда явным образом не записывал свой второй закон в этом виде. Впервые данную форму закона можно встретить в трудах К.Маклорена и Л.Эйлера.

Поскольку в любой инерциальной системе отсчёта ускорение тела одинаково и не меняется при переходе от одной системы к другой, то и сила инвариантна по отношению к такому переходу.

Во всех явлениях природы сила, независимо от своего происхождения, проявляется только в механическом смысле, то есть как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела в инерциальной системе координат. Обратное утверждение, т.е установление факта такого движения, не свидетельствует об отсутствии действующих на тело сил, а лишь о том, что действия этих сил взаимно уравновешиваются. Иначе: их векторная сумма есть вектор с модулем, равным нулю. На этом основано измерение величины силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна .

Второй закон Ньютона позволяет измерять величину силы. Например, знание массы планеты и ее центростремительного ускорения при движении по орбите позволяет вычислить величину силы гравитационного притяжения, действующую на эту планету со стороны Солнца.

Третий закон Ньютона

Для любых двух тел (назовем их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона утверждает, что сила действия тела 1 на тело 2, сопровождается появлением равной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 1 со стороны тела 2.^[11] Математически закон записывается так:

Этот закон означает, что силы всегда возникают парами «действие-противодействие».^[9] Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел равна нулю:

Это означает, что в замкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (то есть той, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением. Отдельные части системы могут ускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако в том случае, если внешние силы подействуют на систему, то ее центр масс начнет двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы.^[3]

Фундаментальные взаимодействия

Все силы в природе основаны на четырех типах фундаментальных взаимодействий. Максимальная скорость распространения всех видов взаимодействия равна скорости света в вакууме. Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами, гравитационные − между массивными объектами. Сильное и слабое проявляются только на очень малых расстояниях, они ответственны за возникновение взаимодействия между субатомными частицами, включая нуклоны, из которых состоят атомные ядра.

Интенсивность сильного и слабого взаимодействия измеряется в единицах энергии (электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина «сила» объясняется берущей из античности традицией объяснять любые явления в окружаемом мире действием специфических для каждого явления «сил».

Понятие силы не может быть применено по отношению к явлениям субатомного мира. Это понятие из арсенала классической физики, ассоциирующейся (пусть даже только подсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих на расстоянии. В субатомной физике таких сил уже нет: их заменяют взаимодействия между частицами, происходящими через посредство полей, то есть каких-то других частиц. Поэтому физики высоких энергий избегают употреблять слово сила, заменяя его словом взаимодействие.^[12]

Каждый вид взаимодействия обусловлен обменом соответствующих переносчиков взаимодействия: гравитационное − обменом гравитонов (существование не подтверждено экспериментально), электромагнитное − виртуальных фотонов, слабое − векторных бозонов, сильное − глюонов (и на больших расстояниях — мезонов). В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в более фундаментальное электрослабое взаимодействие. Делаются попытки объединения всех четырех фундаментальных взаимодействие в одно (так называемая теория великого объединения).

Всё многообразие проявляющих себя в природе сил в принципе может быть сведено к этим четырем фундаментальным взаимодействиям. Например, трение − это проявление электромагнитных сил, действующих между атомами двух соприкасающихся поверхностей, и принципа запрета Паули,^[13] который не позволяет атомам проникать в область друг друга. Сила, возникающая при деформации пружины, описываемая законом Гука, также является результатом действия электромагнитных сил между частицами и принципа запрета Паули, заставляющих атомы кристаллической решетки вещества удерживаться около положения равновесия.^[3].

Однако на практике оказывается не только нецелесообразной, но и просто невозможной по условиям задачи подобная детализация рассмотрения вопроса о действии сил.

Гравитация

Гравитация (сила тяготения) — универсальное взаимодействие между любыми видами материи. В рамках классической механики описывается законом всемирного тяготения, сформулированным Исааком Ньютоном в его труде «Математические начала натуральной философии». Ньютон получил величину ускорения, с которым Луна движется вокруг Земли, положив при расчете, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им же было установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим, пропорционально произведению масс этих тел^[14]. На основании этих двух выводов был сформулирован закон тяготения: любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой , прямо пропорциональной произведению масс ( и ) и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Здесь − гравитационная постоянная^[15], значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш. Используя данный закон, можно получить формулы для расчета силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел. Однако, в ее основе лежит концепция дальнодействия, противоречащая теории относительности. Поэтому классическая теория тяготения неприменима для описания движения тел, перемещающихся со скоростью, близкой к скорости света, гравитационных полей чрезвычайно массивных объектов (например, черных дыр), а также переменных полей тяготения, создаваемых движущимися телами, на больших расстояниях от них^[16].

Более общей теорией гравитации является общая теория относительности Альберта Эйнштейна. В ней гравитация не характеризуется инвариантной силой, не зависящей от системы отсчёта. Вместо этого свободное движение тел в гравитационном поле, воспринимаемое наблюдателем как движение по искривленным траекториям в трехмерном пространстве-времени с переменной скоростью, рассматривается как движение по инерции по геодезической линии в искривлённом четырехмерном пространстве-времени, в котором время в разных точках течет по-разному. Причем эта линия в некотором смысле «наиболее прямая» — она такова, что пространственно-временной промежуток (собственное время) между двумя пространственно-временными положениями данного тела максимален. Искривление пространства зависит от массы тел, а также от всех видов энергии, присутствующих в системе^[3].

Электромагнитное взаимодействие

Электростатическое поле (поле неподвижных зарядов)

Развитие физики после Ньютона добавило к трём основным (длина, масса, время) величинам электрический заряд с размерностью C. Однако, исходя из требований практики, в качестве основной единицы измерения стали использовать не единицу заряда, а единицу силы электрического тока. Так, в системе СИ основной единицей является ампер, а единица заряда — кулон — производная от него.

Поскольку заряд, как таковой, не существует независимо от несущего его тела, то электрическое взаимодействие тел проявляется в виде той же рассматриваемой в механике силы, служащей причиной ускорения. Применительно к электростатическому взаимодействию двух точечных зарядов величинами и , располагающихся в вакууме, используется закон Кулона. В форме, соответствующей системе СИ, он имеет вид:

где  — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2,  — вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2 и по модулю равный расстоянию между зарядами, а  — электрическая постоянная, равная ≈ 8,854187817•10⁻¹²Ф/м. При помещении зарядов в однородную и изотропную среду сила взаимодействия уменьшается в ε раз, где ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Сила направлена вдоль линии, соединяющей точечные заряды. Графически электростатическое поле принято изображать в виде картины силовых линий, представляющих собой воображаемые траектории, по которым бы перемещалась лишённая массы заряженная частица. Эти линии начинаются на одном и заканчиваются на другом заряде.

Электромагнитное поле (поле постоянных токов)

Существование магнитного поля признавалось ещё в средние века китайцами, использовавшим «любящий камень» — магнит, в качестве прообраза магнитного компаса. Графически магнитное поле принято изображать в виде замкнутых силовых линий, густота которых (так же, как и в случае электростатического поля) определяет его интенсивность. Исторически наглядным способом визуализации магнитного поля были железные опилки, насыпаемые, например, на лист бумаги, положенный на магнит.

Эрстед установил, что текущий по проводнику ток вызывает отклонение магнитной стрелки.

Фарадей пришёл к выводу, что вокруг проводника с током создаётся магнитное поле.

Ампер высказал гипотезу, признаваемую в физике, как модель процесса возникновения магнитного поля, заключающуюся в существовании в материалах микроскопических замкнутых токов, обеспечивающих совместно эффект естественного или наведённого магнетизма.

Ампером было установлено, что в находящейся в вакууме системе отсчёта, по отношению к которой заряд находится в движении, то есть ведёт себя как электрический ток, возникает магнитное поле, интенсивность которого определяется вектором магнитной индукции, лежащим в плоскости, расположенной перпендикулярно по отношению к направлению движения заряда.

Единицей измерения магнитной индукции является тесла: 1 Тл = 1 Т кг с⁻² А⁻²
Количественно задача была решена Ампером, измерявшим силу взаимодействия двух параллельных проводников с текущими по ним токами. Один из проводников создавал вокруг себя магнитное поле, второй реагировал на это поле сближением или удалением с поддающейся измерению силой, зная которую и величину силы тока можно было определить модуль вектора магнитной индукции.

Силовое взаимодействие между электрическими зарядами, не находящимися в движении относительно друг друга описывается законом Кулона. Однако заряды, находящиеся в движении относительно друг друга создают магнитные поля, посредством которых созданные движением зарядов токов в общем случае приходят в состояние силового взаимодействия.

Принципиальным отличием силы, возникающей при относительном движении зарядов от случая их стационарного размещения, является различие в геометрии этих сил. Для случая электростатики сил взаимодействия двух зарядов направлена по линии, их соединяющей. Поэтому геометрия задачи двумерна и рассмотрение ведётся в плоскости, проходящей через эту линию.

В случае токов сила, характеризующая магнитное поле, создаваемое током, расположена в плоскости, перпендикулярной току. Поэтому картина явления становится трёхмерной. Магнитное поле, создаваемое бесконечно малым по длине элементом первого тока, взаимодействуя с таким же элементом второго тока, в общем случае создаёт силу, действующую на него. При этом для обоих токов эта картина полностью симметрична в том смысле, что нумерация токов произвольна.

Закон взаимодействия токов используется для эталонирования постоянного электрического тока.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие — короткодействующие силы между адронами и кварками. В атомном ядре сильное взаимодействие удерживает вместе положительно заряженные (испытывающие электростатическое отталкивание) протоны, происходит это посредством обмена пи-мезонами между нуклонами (протонами и нейтронами). Пи-мезоны живут очень мало, времени жизни им хватает лишь на то, чтобы обеспечить ядерные силы в радиусе ядра, потому ядерные силы называют короткодействующими. Увеличение количества нейтронов «разбавляет» ядро, уменьшая электростатические силы и увеличивая ядерные, но при большом количестве нейтронов они сами, будучи фермионами, начинают испытывать отталкивание вследствие принципа Паули. Также при слишком сильном сближении нуклонов начинается обмен W-бозонами, вызывающее отталкивание, благодаря этому атомные ядра не «схлопываютс­я­».

Внутри самих адронов сильное взаимодействие удерживает вместе кварки — составные части адронов. Квантами сильного поля являются глюоны. Каждый кварк имеет один из трёх «цветовых» зарядов, каждый глюон состоит из пары «цвет»-«антицвет». Глюоны связывают кварки в т. н. «конфайнмент», из-за которого на данный момент свободные кварки в эксперименте не наблюдались. При отдалении кварков друг от друга энергия глюонных связей возрастает, а не уменьшается как при ядерном взаимодействии. Затратив много энергии (столкнув адроны в ускорителе) можно разорвать кварк-глюонную связь, но при этом происходит выброс струи новых адронов. Впрочем, свободные кварки могут существовать в космосе: если какому-то кварку удалось избежать конфайнмента во время Большого взрыва, то вероятность аннигилировать с соответствующим антикварком или превратиться в бесцветный адрон для такого кварка исчезающе мала.

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие — фундаментальное короткодействующее взаимодействие. Радиус действия 10⁻¹⁸ м. Симметрично относительно комбинации пространственной инверсии и зарядового сопряжения. В слабом взаимодействии участвуют все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях), чем объясняется колоссальная проникающая способность этих частиц. Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами — то есть превращаться друг в друга. Одно из проявлений — бета-распад.

Производные виды сил

Данные виды сил носят феноменологический характер и определяются с помощью теории определяющих соотношений.

Сила упругости — сила упругого сопротивления тела внешней нагрузке. Является макроскопической реакцией межмолекулярного электромагнитного взаимодействия материала тела. Снижается при появлении нарушений микроструктуры тела — при появлении остаточной деформации тела. Направлена против внешней силы.

Сила трения — сила сопротивления относительному перемещению контактирующих поверхностей тел. Зависит от шероховатости и электромагнитной природы материалов контактирующих поверхностей. Сила трения чистых «зеркальных» поверхностей является макроскопическим проявлением их межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы трения направлен противоположно вектору относительной скорости.

Сила сопротивления среды — сила, возникающая при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде. Относится к диссипативным силам. Сила сопротивления имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы сопротивления направлен противоположно вектору скорости.

Сила нормальной реакции опоры — упругая сила, действующая со стороны опоры и противодействующая внешней нагрузке.

Силы поверхностного натяжения — силы, возникающие на поверхности фазового раздела. Имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Сила натяжения направлена по касательной к поверхности раздела фаз; возникает вследствие нескомпенсированного притяжения молекул, находящихся на границе раздела фаз, молекулами, находящимися не на границе раздела фаз.

Осмотическое давление

Силы Ван-дер-Ваальса — электромагнитные межмолекулярные силы, возникающие при поляризации молекул и образовании диполей. Ван-дер-Ваальсовы силы быстро убывают с увеличением расстояния.

Сила инерции

Сила инерции — фиктивная сила, вводимая в неинерциальных системах отсчёта. Введение сил инерции производится для того, чтобы придать уравнениям движения тел в неинерциальных системах отсчёта ту же форму, какую имеет уравнение второго закона Ньютона в инерциальных системах. В ряде случаев такой подход позволяет сделать рассмотрение движения более удобным и наглядным, а решение соответствующих задач — более простым.

В частности, в системе отсчёта, связанной с равноускоренно движущимся телом, сила инерции направлена противоположно ускорению. Из полной силы инерции, представляющей собой сумму переносной и кориолисовой, могут быть для удобства выделены центробежная сила и сила Кориолиса.

Силы инерции принципиально отличаются от всех остальных сил тем, что никакому реальному взаимодействию тел они не соответствуют.

Равнодействующая сила

При расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей. Это геометрическая сумма всех сил, действующих на тело. При этом действие каждой силы не зависит от действия других, то есть каждая сила сообщает телу такое ускорение, какое она сообщила бы в отсутствие действия других сил. Это утверждение носит название принципа независимости действия сил (принцип суперпозиции).

См. также

Источники

Примечания

1. ↑ Glossary. Earth Observatory. NASA. — «Сила — любой внешний фактор, который вызывает изменение в движении свободного тела или возникновение внутренних напряжений в зафиксированном теле.»  (англ.)
2. ↑ Бронштейн И. Н. Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Издательство «Наука» Редакция справочной физико-математической литературы.1964.
3. ↑ ^{1 2 3 4 5} Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, M. Lectures on Physics, Vol 1. — Addison-Wesley, 1963.  (англ.)
4. ↑ Kleppner, D., Kolenkow, R. J. An introduction to mechanics. — McGraw-Hill.  (англ.)
5. ↑ ^{1 2 3} University Physics, Sears, Young & Zemansky, pp. 18-38  (англ.)
6. ↑ Хайкин С. Э.Силы инерции и невесомость. Изд-во «Наука» М.,1967, с илл.
7. ↑ Weinberg, S. Dreams of a Final Theory. — Vintage Books USA, 1994. — ISBN 0-679-74408-8  (англ.)
8. ↑ Heath,T.L. The Works of Archimedes (1897). Archive.org. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 14 октября 2007.  (англ.)
9. ↑ ^{1 2 3 4} Newton, I. The Principia Mathematical Principles of Natural Philosophy. — University of California Press, 1999. — ISBN 0-520-08817-4  (англ.)
10. ↑ Мултановский В. В. Курс теоретической физики. Классическая механика. Основы специальной теории относительности. Релятивистская механика. — М.: Просвещение, 1988. — С. 80−81.
11. ↑ Henderson, Tom Lesson 4: Newton’s Third Law of Motion. The Physics Classroom (1996-2007). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 4 января 2008.  (англ.)
12. ↑ Капра, Фритьоф ДАО ФИЗИКИ. СПб.,»ОРИС»*»ЯНА-ПРИНТ». 1994 г. 304 с. ISBN 5-88436-021-5
13. ↑ Nave, R Pauli Exclusion Principle. HyperPhysics***** Quantum Physics. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 2 января 2008.  (англ.)
14. ↑ University Physics, Sears, Young & Zemansky, pp. 59−82  (англ.)
15. ↑ Sir Isaac Newton: The Universal Law of Gravitation. Astronomy 161 The Solar System. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 4 января 2008.  (англ.)
16. ↑ «Тяготение». Новиков И. Д. // Физическая энциклопедия. Гл. ред. Прохоров А. М. — М.: «Большая Российская энциклопедия», 1998. — Т. 5. — С. 188−193. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7

Сила тяжіння.

Якщо записати силу гравітаційної взаємодії Землі і тіла масою m, яке знаходиться поблизу поверхні Землі, отримаємо таку формулу:

. (1.18)

У цій формулі М_з — маса Землі, R_з — радіус Землі — величини постійні.

Сила тяжіння надає всім тілам, що знаходяться в цьому місці земної поверхні однакове прискорення, яке називають прискоренням вільного падіння: g. Але прискорення можна розрахувати за другим законом Ньютона g = F/m, тоді:

≈9,8 м/с². (1.19)

Силу тяжіння поблизу поверхні землі можна вважати постійною і рівною: F=mg.

Оскільки сила тяжіння залежить від відстані, то тіло масою m, підняте на висоту h над поверхнею Землі, притягується до Землі з меншою силою

. (1.20)

Тому і прискорення вільного падіння змінюється при віддаленні від земної поверхні. На висоті h над поверхнею Землі, вираз для прискорення вільного падіння треба записувати у такому вигляді:

. (1.21)

З приведеної формули виходить, що якщо тіло знаходиться на висоті декілька сотень метрів прискорення g можна вважати постійним, і не залежним від положення тіла.

Вага тіла Силу, з якою тіло внаслідок тяжіння до Землі діє на опору або підвіс, називають вагою тіла.

Визначимо вагу тіла підвішеного на нитці.

Якщо тіло покоїться (рис 1.13 а), або рухається рівномірно, згідно з першим законом Ньютона сила тяжіння урівноважується силою натягу нитки. F_н=mg . За третім законом Ньютона вага тіла чисельно дорівнює силі натягу нитки F_н=Р тоді вага чисельно дорівнює силі тяжіння. Р=mg

F_н F_н F_н

а=0 а а

mg mg mg

Рисунок.1.13а Рисунок. 1.13б Рисунок. 1.13в

Розглянемо випадок, коли тіло рухається з прискоренням у вертикальній площині.

На рисунку 1.13б тіло, підвішене на нитці, рухається з прискоренням спрямованим вгору.

На тіло діють дві сили сила тяжіння mg і сила натягу нитки F_н Згідно з другим законом Ньютона :

mа= F_н – mg,

з урахуванням того, що F_н=Р отримаємо:

Р=m(g+а).

В цьому випадку вага тіла збільшується. Такий стан називається перевантаженням.

На рисунку 1.13в тіло, підвішене на нитці, рухається з прискоренням спрямованим вниз.

На тіло діють дві сили: сила тяжіння mg і сила натягу нитки F_н Згідно з другим законом Ньютона :

mа= mg – Fн,

з урахуванням того, що F_н=Р отримаємо:

Р=m(g — а).

В цьому випадку вага тіла зменшується.

Невагомість

Вага — це сила, з якою тіло діє на опору або підвіс. Уявимо собі такий випадок: опора або підвіс разом з тілом вільно падають. Адже опора і підвіс теж тіла, і на них діє сила тяжіння. Якою в цьому випадку буде вага тіла, тобто з якою силою тіло діятиме на опору або підвіс? Звернемося до досліду. Підвісимо до закріпленої пружини тіло. Під дією сили тяжіння тіло починає рухатися в низ, тому пружина розтягується до тих пір, поки сила пружності не урівноважить силу тяжіння. Потім, якщо пружину відпустити, вона разом з тілом почне вільно падати. Спостерігаючи за пружиною, помічають, що її розтягування зникло. І доки пружина з тілом падає вона залишається не розтягнутою. Отже, тіло, що падає, не діє на пружину, яка падає разом з тілом. В цьому випадку вага тіла дорівнює нулю, але сила тяжіння не дорівнює нулю. Вона як і раніше діє на тіло і примушує його падати. Якщо тіло і підставка, на якій воно лежить, вільно падатимуть, то таке тіло не давитиме на підставку. Отже, і в цьому випадку вага тіла дорівнюватиме нулю.

Подібні явища спостерігаються на супутнику, що обертається навколо Землі. Сам супутник і тіла, що знаходяться на ньому, включаючи космонавта, обертаючись навколо Землі, як би безперервно вільно падають на Землю. Про такі тіла говорять, що вони знаходяться в стані невагомості.