Все известные взаимодействия и соответственно силы в природе сводятся к следующим четырем типам: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.
Гравитационное взаимодействие свойственное всем телам во Вселенной, проявляется в виде взаимного притяжения всех тел в природе, независимо от среды в которой они находятся, в микромире элементарных частиц при обычных энергиях роли не играет. Ярким примером является притяжение Землей. Это взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения : сила взаимодействия между двумя материальными точками массами m 1 и m 2 прямо пропорциональная произведению этих масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Математически этот закон имеет вид:
где G = 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 - гравитационная постоянная, которая определяет силу притяжения между двумя одинаковыми телами с массами m 1 = m 2 = 1 кг на расстоянии r = 1 м.
Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие между неподвижными и подвижными электрическими зарядами. Этим взаимодействием в частности обусловлены силы межмолекулярного и межатомного взаимодействия.
Взаимодействие между двумя точечными неподвижными зарядами q 1 и q 2 подчиняется закону Кулона:
,
где k = 9 10 9 Н м 2 /Кл 2 – коэффициент пропорциональности.
Если заряд движется в магнитном поле, то на него действует сила Лоренца:
v – скорость заряда, В – вектор магнитной индукции.
C ильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре атома. Слабое отвечает за большинство распадов элементарных частиц, а также за процессы взаимодействия нейтрино с веществом.
В классической механике мы имеем дело с гравитационными и электромагнитными силами, которые приводят к появлению сил притяжения, сил упругости, сил трения и других.
Сила тяжести характеризует взаимодействие тела с Землей.
Вблизи Земли все тела падают приблизительно с одинаковым ускорением g 9,8 м/с 2 , которое называется ускорением свободного падения . Отсюда следует, что вблизи Земли на каждое тело действует сила тяжести, которая направлена к центру Земли и равна произведению массы тела на ускорение свободного падения.
вблизи
поверхности Земле поле однородно
(g
=
const
).
Сравнивая
с
,
получим, что
.
Сила
реакции опоры –
сила
,
с которой опора действует на тело. Она
приложена к телу и перпендикулярна
поверхности соприкосновения. Если тело
лежит на горизонтальной поверхности,
то сила реакции опоры численно равна
силе тяжести. Рассмотрим 2 случая.
1. Рассмотрим рис.
Пусть тело покоится, тогда на него действует две силы. Согласно 2 закону Ньютона
Найдем проекции этих сил на ось у и получим, что
2.
Пусть теперь тело находится на наклонной
плоскости, составляющей угол
с горизонтом (см. рис.).
Рассмотрим случай, когда тело будет покоиться, тогда на тело будут действовать две силы, уравнение движения выглядит аналогично первому случаю. Записав 2 закон Ньютона в проекции на ось у, получим, что сила реакции опоры численно равна проекции силы тяжести на перпендикуляр к этой поверхности
Вес тела – сила, с которой действует тело на опору или подвес. Вес тела равен по модулю силе реакции опоры и направлен противоположно
Часто путают силу тяжести и вес. Это обусловлено тем, что в случае неподвижной опоры эти силы совпадают по величине и по направлению Однако надо помнить, что эти силы приложены к разным телам: сила тяжести приложена к самому телу, вес приложен к подвесу или опоре. Кроме того, сила тяжести всегда равна mg, независимо от того покоится тело или движется, сила веса зависит от ускорения, с которым движутся опора и тело, причем она может быть как больше, так и меньше mg, в частности, в состоянии невесомости она обращается в нуль.
Сила упругости . Под действием внешних сил может происходить изменение формы тела – деформация. Если после прекращения действия силы форма тела возобновляется, деформация называется упругой . Для упругой деформации справедлив закон Гука:
x - удлинение тела вдоль оси х , k - коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом упругости .
При непосредственном соприкосновении тел помимо сил упругости могут возникать силы и другого типа, так называемые силы трения.
Силы трения .
Силы трения бывают двух видов:
Сила трения покоя.
Сила трения, обусловленная движением тел.
Сила
трения покоя
– сила, с которой действует поверхность
на покоящееся на ней тело в направлении,
противоположном приложенной к телу
силе
(см. рис) и равная ей по модулю
Силы трения 2 типа появляются при перемещении соприкасающихся тел или частей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называют внешним. Трение между частями одного и того же сплошного тела (жидкость или газ), носит название внутреннего.
Сила трения скольжения действует на тело в процессе его перемещения по поверхности другого тела и равна произведению коэффициента трения между этими телами на силу реакции опоры N и направлена в сторону, противоположную относительной скорости движения этого тела
F = N
Силы трения играют очень большую роль в природе. В нашей повседневной жизни трение нередко оказывается полезным. Например, затруднения которые испытывают пешеходы и транспорт во время гололедицы, когда трение между покрытием дороги и подошвами пешеходов или колесами транспорта значительно уменьшается. Не будь сил трения, мебель пришлось бы прикреплять к полу, как на судне во время качки, ибо она при малейшей негоризонтальности пола сползла бы в направлении покатости.
Закон сохранения импульса
Замкнутой
(изолированной) системой тел называют
такую систему, тела которой не
взаимодействуют с внешними телами или
если равнодействующая внешних сил
равна нулю.
Если на систему материальных точек не действуют внешние силы, то есть система изолирована (замкнутая ), из (3.12) выплывает, что
,
(3.13)
Мы получили фундаментальный закон классической физики - закон сохранения импульса: в изолированной (замкнутой) системе суммарный импульс остается величиной постоянной. Для того, чтобы выполнялся закон сохранения импульса достаточно, чтобы система была замкнута.
Закон сохранения импульса является фундаментальным законом природы не знающим исключений.
В
нерелятивистском случае можно ввести
понятие центра
масс (центра инерции) системы материальных
точек
, под
которым понимают воображаемую точку,
радиус-вектор которой
,
выражается через радиусы векторы
материальных точек по формуле:
(3.14)
Найдем скорость центра масс в данной системе отсчета, взяв производную по времени от соотношения (3.14)
. (3.14)
Импульс системы равняется произведению массы системы на скорость ее центра инерции.
. (3.15)
Понятие
центра
масс позволяет придать уравнению
другую форму, которая часто оказывается
более удобной. Для этого достаточно
учесть, что масса системы есть величина
постоянная. Тогда
(3.16)
где
– сумма всех внешних сил, которые
действуют на систему. Уравнение (3.16) –
уравнение движенияцентра
инерции системы. Теорема
о движении центра масс
гласит:
центр масс
движется как материальная точка, масса
которой равна суммарной массе всей
системы, а действующая сила – геометрической
сумме всех внешних сил, действующих на
систему
.
Если
система замкнута, то
.
В этом случае уравнение (3.16) переходит
в
,
из которого следуетV=const.
Центр масс замкнутой системы движется
прямолинейно и равномерно.
>>Физика: Силы в природе. Гравитационные силы
Выясним сначала, много ли видов сил существует в природе.
На первый взгляд кажется, что мы взялись за непосильную и неразрешимую задачу: тел на Земле и вне ее бесконечное множество. Они взаимодействуют по-разному. Так, например, камень падает на Землю; электровоз тянет поезд; нога футболиста ударяет по мячу; потертая о мех эбонитовая палочка притягивает легкие бумажки, магнит притягивает железные опилки; проводник с током поворачивает стрелку компаса; взаимодействуют Луна и Земля, а вместе они взаимодействуют с Солнцем; взаимодействуют звезды и звездные системы и т. д. Подобным примерам нет конца. Похоже, что в природе существует бесконечное множество взаимодействий (сил)? Оказывается, нет!
Четыре типа сил.
В безграничных просторах Вселенной , на нашей планете, в любом веществе, в живых организмах, в атомах, в атомных ядрах и в мире элементарных частиц мы встречаемся с проявлением всего лишь четырех типов сил: гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых.
Гравитационные силы
, или силы всемирного тяготения, действуют между всеми телами - все тела притягиваются друг к другу. Но это притяжение существенно обычно лишь тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел так же велико, как Земля или Луна. Иначе эти силы столь малы, что ими можно пренебречь.
Электромагнитные силы
действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сфера их действия особенно обширна и разнообразна. В атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными. Велика их роль в атомах.
Область действия ядерных сил
очень ограничена. Они заметны только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10 -13 см). Уже на расстояниях между частицами порядка 10 -11 см (в тысячу раз меньших размеров атома - 10 -8 см) они не проявляются совсем.
Слабые взаимодействия
проявляются на еще меньших расстояниях, порядка 10 -15 см. Они вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
Ядерные силы - самые мощные в природе. Если интенсивность ядерных сил принять за единицу, то интенсивность электромагнитных сил составит 10 -2 , гравитационных - 10 -40 , слабых взаимодействий - 10 -16 .
Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл.
В механике мы будем рассматривать только гравитационные и электромагнитные взаимодействия.
Силы в механике.
В механике обычно имеют дело с тремя видами сил - силами тяготения, силами упругости и силами трения.
Силы упругости и трения имеют электромагнитную природу. Мы не будем здесь объяснять происхождение этих сил, с помощью опытов можно будет выяснить условия, при которых возникают эти силы, и выразить их количественно.
В природе существуют четыре типа взаимодействия. В механике изучаются гравитационные силы и две разновидности электромагнитных сил - силы упругости и силы трения .
Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиЕсли у вас есть исправления или предложения к данному уроку,
В природе существует четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые.
Гравитационные силы, или силы тяготения, действуют между всеми телами. Но эти силы заметны, если хотя бы одно из тел имеет размеры, соизмеримые с размерами планет. Силы притяжения между обычными телами настолько малы, что ими можно пренебречь. Поэтому гравитационными можно считать силы взаимодействия между планетами, а также между планетами и Солнцем или другими телами, имеющими очень большую массу. Это могут быть звёзды, спутники планет и т.п.
Электромагнитные силы действуют между телами, имеющими электрический заряд.
Ядерные силы (сильные) являются самыми мощными в природе. Они действуют внутри ядер атомов на расстояниях 10 -13 см.
Слабые силы , как и ядерные, действуют на малых расстояниях порядка 10 -15 см. В результате их действия происходят процессы внутри ядра.
Механика рассматривает гравитационные силы, силы упругости и силы трения.
Гравитационные силы
Гравитация описывается законом всемирного тяготения. Этот закон был изложен Ньютоном в середине XVII в. в работе «Математические начала натуральной философии».
Гравитацией называют силу тяготения, с которой любые материальные частицы притягиваются друг у другу.
Сила, с которой материальные частицы притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .
G – гравитационная постоянная, численно равная модулю силы тяготения, с которой тело, имеющее единичную массу, действует на тело, имеющее такую же единичную массу и находящееся на единичном расстоянии от него.
G = 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , или Н·м²·кг −2 .
На поверхности Земли сила гравитации (сила тяготения) проявляется в виде силы тяжести .
Мы видим, что любой предмет, брошенный в горизонтальном направлении, всё равно падает вниз. Падает вниз также и любой предмет, подброшенный вверх. Происходит это под действием силы тяжести, которая действует на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли. Сила тяжести действует на тела и на поверхности других астрономических тел. Эта сила всегда направлена вертикально вниз.
Под действием силы тяжести тело движется к поверхности планеты с ускорением, которое называется ускорением свободного падения .
Ускорение свободного падения на поверхности Земли обозначается буквой g .
F t = mg ,
следовательно,
g = F t / m
g = 9, 81 м/с 2 на полюсах Земли, а на экваторе g = 9,78 м/с 2 .
При решении простых физических задач величину g принято считать равной 9,8 м/с 2 .
Классическая теория тяготения применима только для тел, имеющих скорость намного ниже скорости света.
Силы упругости
Силами упругости называются силы, которые возникают в теле в результате деформации, вызывающей изменение его формы или объёма. Эти силы всегда стремятся вернуть тело в его первоначальное положение.
При деформации происходит смещение частиц тела. Сила упругости направлена в сторону, противоположную направлению смещения частиц. Если деформация прекращается, сила упругости исчезает.
Английский физик Роберт Гук, современник Ньютона, открыл закон, устанавливающий связь между силой упругости и деформацией тела.
При деформации тела возникает сила упругости, прямо пропорциональная удлинению тела, и имеющая направление, противоположное перемещению частиц при деформации.
F = k ∆ l ,
где к – жёсткость тела, или коэффициент упругости;
∆ l – величина деформации, показывающая величину удлинения тела под воздействием сил упругости.
Закон Гука действует для упругих деформаций, когда удлинение тела мало, а тело восстанавливает свои первоначальные размеры после того, как исчезают силы, вызвавшие эту деформацию.
Если деформация велика, и тело не возвращается в свою исходную форму, закон Гука не применяется. При очень больших деформациях происходит разрушение тела.
Силы трения
Сила трения возникает, когда одно тело движется по поверхности другого. Она имеет электромагнитную природу. Это следствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. Направление силы трения противоположно направлению движения.
Различают сухое и жидкое трение. Сухим называют трение, если между телами нет жидкой или газообразной прослойки.
Отличительная особенность сухого трения – трение покоя, которое возникает при относительном покое тел.
Величина силы трения покоя всегда равна величине внешней силы и направлена в противоположную сторону. Сила трения покоя препятствует движению тела.
В свою очередь, сухое трение разделяется на трение скольжения и трение качения .
Если величина внешней силы превышает величину силы трения, то в этом случае появится проскальзывание, и одно из контактирующих тел начнёт поступательно перемещаться относительно другого тела. А сила трения будет называться силой трения скольжения . Её направление будет противоположно направлению скольжения.
Сила трения скольжения зависит от силы, с которой тела давят друг на друга, от состояния трущихся поверхностей, от скорости движения, но не зависит от площади соприкосновения.
Сила трения скольжения одного тела по поверхности другого вычисляется по формуле:
F тр. = k · N ,
где k – коэффициент трения скольжения;
N – сила нормальной реакции, действующая на тело со стороны поверхности.
Сила трения качения возникает между телом, которое перекатывается по поверхности, и самой поверхностью. Такие силы появляются, например, при соприкосновении шин автомобиля с дорожным покрытием.
Величина силы трения качения вычисляется по формуле
где F t – сила трения качения;
f – коэффициент трения качения;
R – радиус катящегося тела;
N – прижимающая сила.
Несмотря на разнообразие сил, имеется всего четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
Гравитационные силы заметно проявляются в космических масштабах. Одним из проявлений гравитационных сил является свободное падение тел. Земля сообщает всем телам одно и то же ускорение, которое называют ускорением свободного падения g. Оно незначительно меняется в зависимости от географической широты. На широте Москвы оно равно 9,8 м/с 2 .
Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сильные и слабые взаимодействия проявляются внутри атомных ядер и в ядерных превращениях.
Гравитационное взаимодействие существует между всеми телами, обладающими массами. Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном, гласит:
Сила взаимного притяжения двух тел, которые могут быть принятыми за материальные точки, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Коэффициент пропорциональности у называют гравитационной постоянной. Она равна 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 .
Если на тело действует лишь гравитационная сила со стороны Земли, то она равна mg. Это и есть сила тяжести G (без учета вращения Земли). Сила тяжести действует на все тела, находящиеся на Земле, вне зависимости от их движения.
При движении тела с ускорением свободного падения (или даже с меньшим ускорением, направленным вниз) наблюдается явление полной или частичной невесомости.
Полная невесомость - отсутствие давления на подставку или на подвес. Вес - сила давления тела на горизонтальную опору или сила растяжения нити со стороны подвешенного к ней тела, которая возникает в связи с гравитационным притяжением данного тела к Земле.
Силы притяжения между телами неуничтожимы, тогда как вес тела может исчезнуть. Так, в спутнике, который двигается с первой космической скоростью вокруг Земли, вес отсутствует так же, как в лифте, падающем с ускорением g.
Примером электромагнитных сил являются силы трения и упругости. Различают силы трения скольжения и силы трения качения. Сила трения скольжения намного больше силы трения качения.
Сила трения зависит в некотором интервале от приложенной силы, которая стремится сдвинуть одно тело относительно другого. Прикладывая различную по величине силу, увидим, что небольшие силы не могут сдвинуть тело. При этом возникает компенсирующая сила трения покоя.
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.