Силы в природе

Машукова Н.Г. – преподаватель

физики ГОУ СПО ММУ №17

Понятие силы

•

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. 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. 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.

С

и́

ла — 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.

Сила как векторная величина

характеризуется модулем, направлением и

«точкой» приложения силы.

Первый закон Ньютона

•

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

Второй закон Ньютона

В инерциальной системе

отсчета скорость

изменения импульса

материальной точки

равна векторной сумме

всех сил, действующих на

эту точку.

Третий закон Ньютона

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:

Фундаментальные взаимодействия

Все силы в природе основаны на четырех типах

фундаментальных взаимодействий:



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)

Гравитация

•

Любые материальные

частицы притягиваются

по направлению друг к

другу с силой , прямо

пропорциональной

произведению масс и

обратно

пропорциональной

квадрату расстояния

между ними

Электромагнитное взаимодействие

•

Электромагнитное

взаимодействие существует

между частицами,

обладающими электрическим

зарядом.

•

С современной точки зрения

электромагнитное

взаимодействие между

заряженными частицами

осуществляется не прямо, а

только посредством

электромагнитного поля.

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).

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие —

короткодействующее взаимодействие.

Радиус действия 10−18 м. В слабом

взаимодействии участвуют все

фундаментальные фермионы (лептоны и

кварки). Это единственное

взаимодействие, в котором участвуют

нейтрино, 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.

Закон всемирного тяготения. Движение

тел под действием силы тяжести

Все тела притягиваются друг к

другу с силой, прямо

пропорциональной их массам

и обратно пропорциональной

квадрату расстояния между

ними. Коэффициент

пропорциональности G

одинаков для всех тел в

природе. Его называют

гравитационной постоянной

•

G = 6,67·10–11 Н·м2/кг2

(СИ).

Вес и невесомость

Весом тела называют силу, с

которой тело вследствие его

притяжения к Земле действует

на опору или подвес. При этом

предполагается, что тело

неподвижно относительно

опоры или подвеса. На тело

действуют сила тяжести

направленная вертикально вниз,

и сила упругости с которой

опора действует на тело. Силу

называют силой нормального

давления или силой реакции

опоры. Силы, действующие на

тело, уравновешивают друг друга

N = P+ mg, где р-вес тела и

mg-сила тяжести. N– сила

реакции опоры, р– сила

давления тела

Вес тела при движении с ускорением

Сила действующая на опору со стороны тела,

которую и называют весом тела P, по третьему

закону Ньютона равна - N Следовательно, вес

тела при движении с ускорением вверх равна:

P = m(g + a).

Вес тела при движении с ускорением вниз

P = m(g – a)

Невесомость. Перегрузка

Если a = g, то P = 0. Тело свободно падает на

Землю вместе с опорой. Такое состояние

называется невесомостью. Оно возникает,

например, в кабине космического корабля

при его движении по орбите с

выключенными реактивными двигателями.

Увеличение веса тела, вызванное

ускоренным движением опоры или подвеса,

называют перегрузкой. Действие перегрузки

испытывают космонавты, как при взлете

космической ракеты, так и на участке

торможения при входе корабля в плотные

слои атмосферы. Большие перегрузки

испытывают летчики при выполнении фигур

высшего пилотажа, особенно на

сверхзвуковых самолетах.

Сила упругости. Закон Гука

При деформации тела

возникает сила, которая

стремится восстановить

прежние размеры и форму

тела. Эта сила возникает

вследствие

электромагнитного

взаимодействия между

атомами и молекулами

вещества. Ее называют силой

упругости. Простейшим

видом деформации является

деформация растяжения или

сжатия



Закон Гука: Fx = Fупр = –kx.



k называется жесткостью тела.

В системе СИ жесткость

измеряется в ньютонах на метр

(Н/м). Коэффициент жесткости

зависит от формы и размеров

тела, а также от материала.

Закон Гука. Модуль Юнга

•

Отношение ε = x / l называется относительной

деформацией, а отношение σ = F / S = –Fупр / S,

где S – площадь поперечного сечения

деформированного тела, называется

напряжением. Тогда закон Гука можно

сформулировать так: относительная

деформация ε пропорциональна напряжению

σ: ε=σ/Е

•

Коэффициент E называется модулем Юнга.

Модуль Юнга зависит только от свойств

материала и не зависит от размеров и формы

тела. Для различных материалов модуль Юнга

меняется в широких пределах.

Закон Гука

•

Деформация изгиба.

Fупр = - mg

•

Упругую силу действующую на

тело со стороны опоры (или

подвеса), называют силой

реакции опоры. При

соприкосновении тел сила

реакции опоры направлена

перпендикулярно поверхности

соприкосновения. Поэтому ее

часто называют силой

нормального давления N . Если

тело лежит на горизонтальном

неподвижном столе, сила

реакции опоры направлена

вертикально вверх и

уравновешивает силу тяжести:

•

N = - mg

Сила трения

•

Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно

возникает при соприкосновении двух тел. Трение

подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из

тел действует сила трения, то такая же по модулю, но

направленная в противоположную сторону сила действует

и на второе тело. Силы трения имеют электромагнитную

природу. Они возникают вследствие взаимодействия

между атомами и молекулами соприкасающихся тел.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при

соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между

ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда

направлены по касательной к соприкасающимся

поверхностям. Сухое трение, возникающее при

относительном покое тел, называют трением покоя.

Сила трения покоя

•

Сила трения покоя

всегда равна по

величине внешней

силе и направлена в

противоположную

сторону

•

Сила трения покоя (υ

= 0).

•

Fтр = Fупр .

Трение скольжения

Сила трения скольжения

пропорциональна силе

нормального давления тела

на опору, а следовательно, и

силе реакции опоры Fтр =

(Fтр)max = μN. μ называют

коэффициентом трения

скольжения. Коэффициент

трения μ – величина

безразмерная. Обычно

коэффициент трения меньше

единицы. Он зависит от

материалов соприкасающихся

тел и от качества обработки

поверхностей.

Силы трения при

скольжении (υ ≠ 0). N –

сила реакции опоры, P

– вес тела, N = - P . Fтр=

μN.

Cилa вязкого трения. Трение качения.

•

При движении твердого тела в жидкости или газе

возникает силa вязкого трения. Сила вязкого трения

значительно меньше силы сухого трения. Она также

направлена в сторону, противоположную относительной

скорости тела. При вязком трении нет трения покоя. Сила

вязкого трения сильно зависит от скорости тела. При

достаточно малых скоростях Fтр ~ υ, при больших

скоростях Fтр ~ υ2. При этом коэффициенты

пропорциональности в этих соотношениях зависят от

формы тела. Силы трения возникают и при качении тела.

Однако силы трения качения обычно достаточно малы.

При решении простых задач этими силами пренебрегают.