Физика виды сил тема. Что такое сила в физике? Понятие и формулы силы. Закон всемирного тяготения

Чтобы понять, стоит ли продолжать писать короткие этюды, объясняющие буквально на пальцах разные физические явления и процессы. Результат развеял мои сомнения. Продолжу. Но чтобы подойти к довольно сложным явлениям придется делать отдельные последовательные серии постов. Так, чтобы дойти до рассказа об устройстве и эволюции Солнца и других типов звезд придется начать с описания типов взаимодействия между элементарными частичами. С этого и начнем. Без формул.
Всего в физике известно четыре типа взаимодействия. Хорошо знакомые все гравитационное и электромагнитное . И почти неизвестные широкой публике сильное и слабое . Опишем их последовательно.
Гравитационное взаимодействие . Человек знаком с ним издревле. Ибо постоянно находится в поле тяжести Земли. А из школьной физики мы знаем, что сила гравитационного взаимодействия между телами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Под воздействием гравитационной силы Луна вращается вокруг Земли, Земля и другие планеты - вокруг Солнца, а последнее вместе с другими звездами - вокруг центра нашей Галактики.
Довольно медленное убывание силы гравитационного взаимодействия с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния) заставляет физиков говорить об этом взаимодействии как о дальнодействующем . Кроме того, действующие между телами силы гравитационного взаимодействия являются только силами притяжения.
Электромагнитное взаимодействие . В самом простейшем случае электростатического взаимодействия, как мы знаем из школьной физики, сила притяжения или отталкивания между электрически заряженными частицами пропорциональна произведению их электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Что очень похоже на закон гравитационного взаимодействия. Отличие лишь в том, что электрические заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными - притягиваются. Поэтому электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, физики называют дальнодействующим .
В то же время электромагнитное взаимодействие сложнее гравитационного. Из школьной физики мы знаем, что электрическое поле создается электрическими зарядами, магнитных зарядов в природе не существует, а магнитное поле создается электрическими токами.
На самом деле электрическое поле может создаваться еще и изменяющимся во времени магнитным полем, а магнитное поле - изменяющимся во времени электрическим полем. Последнее обстоятельство дает возможность существовать электромагнитному полю вообще без электрических зарядов и токов. И эта возможность реализуется в виде электромагнитных волн. Например, радиоволн и квантов света.
Из-за одинаковой зависимости от расстояния электрических и гравитационных сил естественно попытаться сравнить их интенсивности. Так, для двух протонов силы гравитационного притяжения оказываются в 10 в 36-й степени раз (миллиард миллиардов миллиардов миллиардов раз) слабее сил электростатического отталкивания. Поэтому в физике микромира гравитационным взаимодействием вполне обоснованно можно пренебрегать.
Сильное взаимодействие . Это - близкодействующие силы. В том смысле, что они действуют на расстояниях только порядка одного фемтометра (одной триллионной части миллиметра), а на больших расстояниях их влияние практически не ощущаются. Более того, на расстояниях порядка одного фемтометра сильное взаимодействие примерно в сотню раз интенсивнее электромагнитного.
Именно поэтому одинаково электрически заряженные протоны в атомном ядре не отталкиваются друг от друга электростатическими силами, а удерживаются вместе сильным взаимодействием. Поскольку размеры протона и нейтрона составляют около одного фемтометра.
Слабое взаимодействие . Оно действительно очень слабое. Во-первых, оно действует на расстояниях в тысячу раз меньших одного фемтометра. А на больших расстояниях практически не ощущается. Поэтому оно, как и сильное, принадлежит к классу близкодействующих . Во-вторых, его интенсивность примерно в сотню миллиардов раз меньше интенсивности электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие отвечает за некоторые распады элементарных частиц. В том числе - свободных нейтронов.
Существует лишь один тип частиц, которые взаимодействуют с веществом только через слабое взаимодействие. Это - нейтрино. Через каждый квадратный сантиметр нашей кожи ежесекундно проходит почти сотня миллиардов солнечных нейтрино. И мы их совершенно не замечаем. В том смысле, что за время нашей жизни вряд ли несколько штук нейтрино провзаимодействует с веществом нашего тела.
Говорить же о теориях, описывающих все эти типы взаимодействий не будем. Ибо для нас важна качественная картина мира, а не изыски теоретиков.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Сила – это векторная величина, являющаяся мерой действия на данное тело других тел или полей, в результате которого происходит изменение состояния данного тела. Под изменением состояния в данном случае понимают изменение или деформацию.

Понятие силы относится к двум телам. Всегда можно указать тело, на которое действует сила, и тело, со стороны которого она действует.

Сила характеризуется:

• модулем;
• направлением;
• точкой приложения.

Модуль и направление силы не зависят от выбора .

Единица измерения силы в системе Си – 1 Ньютон .

В природе нет материальных тел, находящихся вне воздействия на них других тел, а, следовательно, все тела находятся под воздействием внешних или внутренних сил.

На тело одновременно может действовать несколько сил. В этом случае справедлив принцип независимости действия: действие каждой силы не зависит от присутствия или отсутствия других сил; совместное действие нескольких сил равно сумме независимых действий отдельных сил.

Равнодействующая сила

Для описания движения тела в этом случае пользуются понятием равнодействующей силы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Равнодействующая сила – это сила, действие которой заменяет действие всех сил, приложенных к телу. Или, другими словами, равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равна векторной сумме этих сил (рис.1).

Рис.1. Определение равнодействующей сил

Так как движение тела всегда рассматривается в какой-либо системе координат, удобно рассматривать не саму силу, а ее проекции на координатные оси (рис.2, а). В зависимости от направления силы ее проекции могут быть как положительными (рис.2,б), так и отрицательными (рис.2,в).

Рис.2. Проекции силы на координатные оси: а) на плоскости; б) на прямой (проекция положительна);
в) на прямой (проекция отрицательна)

Рис.3. Примеры, иллюстрирующие векторное сложение сил

Мы часто наблюдаем примеры, иллюстрирующие векторное сложение сил: лампа висит на двух тросах (рис.3, а) – в этом случае равновесие достигается за счет того, что равнодействующая сил натяжения компенсируется весом лампы; брусок соскальзывает по наклонной плоскости (рис.3, б) – движение возникает за счет равнодействующей сил трения, тяжести и реакции опоры. Знаменитые строки из басни И.А. Крылова «а воз и ныне там!» — также иллюстрация равенства нулю равнодействующей трех сил (рис.3, в).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Существует огромное разнообразие понятий «сила». Оно употребляется в различных областях науки и жизнедеятельности. Наиболее обширное определение дается в физике.

Определение 1

В физике сила представляет собой меру взаимодействия различных тел.

Все тела в окружающем мире взаимно влияют друг на друга. Подобное взаимодействие порождается определенными силами. Эти силовые процессы напрямую связаны:

• с изменением скорости;
• с деформацией тел.

Формула силы формирует определенную математическую модель, согласно которой происходит история исследования зависимости силы от основных параметров. Результатом исследований должны стать экспериментальные доказательства существования подобной зависимости.

Сила имеет в системе СИ собственную единицу измерения. Для определения этого показателя применяют специальное научное оборудование. Простейшим прибором при измерении силы является динамометр.

Это прибор сравнивает силу, которая действует на тело, с силой упругости пружины, установленной в силометре.

Сила является векторной величиной и определяется:

• точкой приложения;
• направлением действия;
• абсолютной величиной.

Определение 2

Сила в 1 ньютон (Н) – сила, под действием которой тело в 1 килограмм изменяет собственную скорость на 1 метр за одну секунду.

При описании силы в обязательном порядке указываются ее параметры.

Сила давления

Существует несколько видов взаимодействий, имеющих природное начало:

• гравитационное взаимодействие;
• электромагнитные взаимодействия;
• слабые и сильные взаимодействия.

Они окружают любое тело, которое имеет массу. Сила тяжести – это сила всемирного тяготения, включая ее разновидности. В настоящее время активно изучается взаимодействие гравитационных полей во Вселенной и исследования пока не могут дать точных ответов на многие вопросы, в том числе касательно природы возникновения и существования таких сил. Источник глобального поля пока найти не удалось, однако известно, что значительная часть гравитационных сил возникает из-за электромагнитного взаимодействия на атомном уровне. Как известно, все вещества состоят из атомов и молекул. Этот факт стал основой всех современных исследований в данной сфере.

Гравитационные силы при взаимодействии тел с поверхностью Земли оказывают давление. Сила давления определяется массой тела (m) и ее можно увидеть в формуле $P=mg$, где g – ускорение свободного падения. Эта величина имеет различные показатели на разных широтах планеты.

Сила вертикального давления равна по абсолютной величине, но противоположна относительно направления силы упругости. В таком случае формула силы будет меняться исходя из движения тела.

Вес тела обычно представляют в виде действия тела на опору после взаимодействия с Землей. Величина веса тела зависит от ускорения движения, которое происходит в вертикальном направлении. Увеличение веса наблюдается при изменении направления ускорения. Оно должно действовать в противоположном направлении ускорению свободного падения. Уменьшение веса наблюдается при ускорении тела. Оно должно совпадать с направлением свободного падения.

Сила упругости

При деформации формы тела появляется еще одна сила. Она направлена на то, чтобы вернуть телу первоначальное состояние. Сила упругости может возникнуть при электрическом взаимодействии частиц. Деформации бывают двух основных видов: сжатие и растяжение. При растяжении происходит увеличении линейных размеров тела. Сжатие характеризуется обратным процессом, в ходе которого наблюдается уменьшение линейных размеров тела.

Формула силы упругости имеет следующий вид:

Она используется только при упругих деформационных процессах.

Взаимодействие магнитного поля с током

Закон Ампера описывает влияние магнитного поля на проводник с током, который помещен в него.

Силовые проявления вызываются при взаимодействии магнитного поля и электрическим зарядом, находящегося в движении.

Сила Ампера определяется по формуле:

• $I$ – сила тока в проводнике,
• $l$ – длина активной части проводника,
• $В$ – магнитная индукция.

Такая зависимость говорит о том, что вектор действия магнитного поля меняется при развороте проводника, а также при изменении направления тока.

Сила Лоренца

В исследовании элементарных частиц активно используются данные спектографов, где фиксируется уровень взаимодействия магнитного поля с зарядом. В подобном процессе возникает иная сила, которую охарактеризовал при помощи своего уравнения Лоренц. Она возникает при попадании в магнитное поле заряженной частицы, которая движется с определенной скоростью.

Сила Лоренца определяется формуле в виде:

$F = vBqsinα$, где:

• $v$ – модуль скорости частицы,
• $В$ – магнитная индукция поля,
• $q$ – электрический заряд изучаемой частицы.

Эта сила вызывает движение заряженной частицы по окружности.

Взаимодействие магнитного поля и вещества используется в циклотронах, где пытаются родить процесс термоядерной реакции, однако до сих пор не существует эффективного способа создания нового источника энергии.

Сила тока и работа силы

Определение 3

Сила тока – основная величина, которая характеризует протекание тока в проводнике.

Формула $I = q/t$, где $q$ – заряд, $t$ – время протекания, включает заряд, протекающий за единицу времени через поперечное сечение проводника.

Работой силы называют такую физическую величину, которая по численному составу равна произведению силы на перемещение. Она должна быть достигнута путем воздействия. Силовое воздействие на вещество сопровождается совершением работы.

Сила работы выражается следующей формулой $A = FScosα$, которая включает в себя величину силы. Само действие тела происходит при изменении скорости тела, а также возможной деформации. Это означает, что идут одновременные изменения энергии. Работа силы лежит в прямой зависимости от ее величины.

Силы тяготения (гравитационные силы).

В системе отсчета связанной с Землей, на всякое тело массой m действует сила: , называемая силой тяжести – сила, с которой тело притягивается с Землей. Под действием силы притяжения к Земле все тела падают с одинаковым ускорением, называемым ускорением свободного падения.

Весом тела – называется сила, с которой тело вследствие тяготения к Земле действует на опору или натягивает нить подвеса.

Сила тяжести действует всегда, а вес проявляется лишь тогда, когда на тело кроме силы тяжести действуют другие силы. Сила тяжести равна весу тела только в том случае, когда ускорение тела относительно Земли равно нулю. В противном случае , где- ускорение тела с опорой относительно Земли. Если тело свободно движется в поле силы тяготения, тои вес равен нулю, т.е. тело будет невесомым.

Невесомость - это состояние тела, при котором оно движется только под действием силы тяжести.

Силы упругости возникают в результате взаимодействия тел, сопровождающегося их деформацией.

Упругая сила пропорциональна смещению частицы из положения равновесия и направлена к положению равновесия:

где – радиус-вектор, характеризующий смещение частицы из положения равновесия,- упругость. Примером такой силы является сила упругости деформации пружины при растяжении или сжатии.

Сила трения скольжения возникает при скольжении данного тела по поверхности другого:

где k – коэффициент трения скольжения, зависящий от природы и состояния соприкасающихся поверхностей; N - сила нормального давления, прижимающая трущиеся поверхности друг другу.

Сила трения направлена по касательной к трущимся поверхностям в сторону, противоположную движению данного тела относительно другого.

§ 13. Энергия. Работа и мощность

Энергия –это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. С различными формами движения материи связывают различные формы энергии: механическую, тепловую, электромагнитную, ядерную и т.д.

Изменение механического движения и энергии тела происходит в процессе силового взаимодействия этого тела с другими телами. Для количественной характеристики этого процесса в механике вводят понятие работы, совершаемой силой.

Рисунок 13.1

Если рассматриваемая сила постоянна, а тело, к которому она приложена, движется поступательно и прямолинейно, то работой, совершаемой силойпри прохождении телом пути, называют величину

где а - угол между силой и направлением движения тела.

Рисунок 13.2

Работа - скалярная величина. Если вектор силы и вектор перемещений образуют острый угол, т.е. , то, если, то, т.е. сила, действующая перпендикулярно к перемещению тела, работы не совершает.

В общем случае тело может двигаться произвольным, достаточно сложным образом (рис.13.2). Выделим элементарный участок пути dS , на котором силу можно считать постоянной, и перемещение прямолинейным. Элементарная работа на этом участке равна

Полная работа на пути определяется интегралом

Единица работы – джоуль (Дж ) – работа совершаемая силой 1Н на пути 1м: 1Дж-1Нс.

Рисунок 13.3

Силу , действующую на материальную точку, называют консервативной или потенциальной, если работа , совершаемая этой силой при перемещении этой точки из произвольного положения 1 в другое 2, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло:

=

Изменение направления движения точки вдоль траектории на противоположное вызывает изменение знака консервативной силы, так как величина меняет знак. Поэтому при перемещении материальной точки вдоль замкнутой траектории, например 1- a -2- b -1 , работа консервативной силы равна нулю.

Примером консервативных сил могут служить силы всемирного тяготения, силы упругости, силы электростатического взаимодействия заряженных тел. Поле, работа сил которого по перемещению материальной точки вдоль произвольной замкнутой траектории равна нулю, называется потенциальным.

Чтобы охарактеризовать скорость совершения работы, вводят понятие мощности . Мощность равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется точка приложения этой силы.

Единица мощности - ватт (Вт): 1 Вт – мощность, при которой за время 1с совершается работа 1 Дж:=1Вт=1Дж/с.

Приведем сначала определения наиболее фундаментальных сил, лежащих в основе взаимодействия.

Сила тяжести. Это постоянная сила , действующая на любое тело, находящееся вблизи земной поверхности. Модуль силы тяжести равен весу тела.

Опытом установлено, что под действием силы тяжести любое тело при свободном падении на Землю (с небольшой высоты и в безвоздушном пространстве) имеет одно и то же ускорение , называемое ускорением свободного падения, а иногда ускорением силы тяжести:

Или . (4.7)

Эти равенства позволяют, зная массу тела, определить его вес (модуль действующей на него силы тяжести) или, зная вес тела, определить его массу. Вес тела или сила тяжести, как и величина , изменяются с изменением широты и высоты над уровнем моря; масса же является для данного тела величиной неизменной.

Сила трения. Так будем кратко называть силу трения скольжения, действующую (при отсутствии жидкой смазки) на тело движущееся по поверхности. Ее модуль определяется равенством:

где f - коэффициент трения, который будем считать постоянным; - нормальная сила прижимающая трущиеся поверхности. Более подробно, действие сил трения рассмотрены в главе «Статика».

Сила гравитационного притяжения. Это сила, с которой два материальных тела притягиваются друг к другу по закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном. Сила тяготения зависит от расстояния и для двух материальных точек с массами m 1 и m 2 , находящихся на расстоянии r друг от друга, выражается равенством:

где - гравитационная постоянная (в СИ γ = 6,673-10 -11 м 3 /кгс 2).

Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме (кулоновская сила) прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от системы единиц,

(в СИ k – 9,0 10 9 Н*м 2 /Кл 2)

Сила упругости. Эта сила тоже зависит от расстояния. Ее значение можно определить исходя из закона Гука, согласно которому напряжение (сила, отнесенная к единице площади) пропорционально деформации. В частности, для силы упругости пружины получается значение:

где l - удлинение (или сжатие) пружины; с - так называемый коэффициент жесткости пружины (в СИ измеряется в Н/м).

Сила вязкого трения. Такая сила, зависящая от скорости, действует на тело при его медленном движении в очень вязкой среде (или при наличии жидкой смазки) и может быть выражена равенством:

где v - скорость тела; m - коэффициент сопротивления.

Зависимость этого вида можно получить, исходя из закона вязкого трения, открытого Ньютоном.

Сила аэродинамического (гидродинамического) сопротивления. Эта сила также зависит от скорости и действует на тело, движущееся в такой, например, среде, как воздух или вода. Обычно ее величину выражают равенством:

R=0,5с x ρSV 2 , (4.13)

где ρ - плотность среды; S - площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения (площадь миделя); с х - безразмерный коэффициент сопротивления, определяемый обычно экспериментально и зависящий от формы тела и от того, как оно ориентировано при движении; V – скорость движения тела.