>>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,
| Выясним, 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 (рис. 3.1, а); магнит притягивает желез- ные опилки (рис. 3.1, б)", проводник с током поворачивает стрелку компаса (рис. 3.1, в); взаимодействуют Луна и Земля, а вместе они взаимодействуют с Солнцем; взаимодействуют звезды и звездные системы и т. д. и т. п. 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 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 атомных ядрах.
Область действия ядерных сил очень ограничена. Они сказываются заметным образом только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10~12 см). Уже на расстояниях между частицами порядка Ю-11 см (в тысячу раз меньших размеров атома - 10~8 см) они не проявляются совсем.
Слабые взаимодействия проявляются на еще меньших расстояниях. Они вызывают превращения элементарных частиц друг в друга.
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.
Надо сказать, что лишь гравитационные и электромагнитные взаимодействия можно рассматривать как силы в смысле механики Ньютона. Сильные (ядерные) и слабые взаимодейст- вия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл. Если и в этих случаях употребляют термин «сила», то лишь как синоним слова «взаимодействие».
Силы в механике
В механике обычно имеют дело с силами тяготения, силами упругости и силами трения.
Мы не будем здесь рассматривать электромагнитную природу силы упругости и силы трения. С помощью опытов можно выяснить условия, при которых возникают эти силы, и выразить их количественно.
В природе существуют четыре типа сил. В механике изучаются гравитационные силы и две разновидности электромагнитных сил - силы упругости и силы трения.
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.
До сих пор использовалось общее понятие силы, и не рассматривался вопрос о том, какие бывают силы и что они собой представляют. Несмотря на многообразие сил, встречающихся в природе, все их можно свести к четырем видам фундаментальных сил: 1) гравитационные; 2) электромагнитные; 3) ядерные; 4) слабые.
Гравитационные силы возникают между любыми телами. Их действие надо учитывать лишь в мире больших тел.
Электромагнитные силы действуют на заряды как неподвижные, так и движущиеся. Поскольку вещество построено из атомов, которые, в свою очередь состоят из электронов и протонов, то большинство сил, с которыми мы встречаемся в жизни - это электромагнитные силы. Ими являются, например, силы упругости, возникающие при деформации тел, силы трения.
Ядерные и слабые силы проявляют себя на расстояниях, не превышающих м, поэтому эти силы заметны лишь в микромире. Вся классическая физика, а вместе с ней и понятие силы, неприменимы к элементарным частицам. Характеризовать точным образом взаимодействие этих частиц с помощью сил нельзя. Единственно возможным здесь становится энергетическое описание. Тем не менее, и в атомной физике часто говорят о силах. В этом случае терминсила становится синонимом слова взаимодействие .
Таким образом, в современной науке слово сила употребляется в двух смыслах: во-первых, в смысле механической силы – точной количественной меры взаимодействия; во-вторых, сила означает наличие взаимодействия определенного типа, точной количественной мерой которого может быть только энергия .
В механике рассматриваются три типа сил: гравитационные, упругие и силы трения. Кратко остановимся на них.
1. Гравитационные силы . Все тела в природе притягиваются друг к другу. Эти силы получили название гравитационных. Ньютон установил закон, названный законом всемирного тяготения : силы, с которыми притягиваются материальные точки, пропорциональны произведению их масс, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющих их, т.е.
,
(2.16)
где М и т – массы тел; r – расстояние между телами; гравитационная постоянная. Знак «» указывает на то, что это сила притяжения.
Из
формулы (2.16) следует, что при т
= М
= 1 кг
и r
= 1 м,
= F
,
т.е. гравитационная постоянная равна
модулю силы притяжения материальных
точек единичной массы, находящихся на
единичном расстоянии друг от друга.
Впервые опытное доказательство закона
всемирного тяготения проведено
Кавендишем. Он сумел определить величину
гравитационной постоянной:
.
Очень малая величина
указывает на то, что сила гравитационного
взаимодействия значительна только в
случае тел с большими массами.
2. Силы
упругости
.
При упругих деформациях возникают силы
упругости. Согласно закону
Гука
,
модуль упругой силы
пропорционален величине деформациих
,
т.е.
,
(2.17)
где k коэффициент упругости. Знак «» определяет тот факт, что направление силы и деформации противоположны.
3. Силы трения . При перемещении соприкасающихся тел или их частей относительно друг друга возникают силы трения . Различают внутреннее (вязкое) и внешнее (сухое) трение.
Вязким трением называют трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды.
Внешним трением называют явление возникновения в месте контакта соприкасающихся твердых тел сил, препятствующих их взаимному перемещению. Если соприкасающиеся тела неподвижны, то между ними возникает сила при попытке сдвинуть одно тело относительно другого. Она называется силой трения покоя . Сила трения покоя не является однозначно определенной величиной. Она меняется от нуля до максимального значения силы, приложенной параллельно плоскости соприкосновения, при которой тело начинает двигаться (рис. 2.3).
Обычно
силой трения покоя и называют эту
максимальную силу трения. Модуль силы
трения покоя
пропорционален модулю силы нормального
давления, который по третьему закону
Ньютона равен модулю силы реакции опорыN
,
т.е.
,
где
коэффициент трения покоя.
При
движении тела по поверхности другого
тела возникает
сила трения скольжения
.
Установлено, что модуль силы трения
скольжения
так
же пропорционален модулю силы нормального
давленияN
,
(2.19)
где
коэффициент трения скольжения.
Установлено, что
,
однако при решении многих задач их
считают равными.
При решении задач учитывают следующие виды сил:
1. Сила
тяжести
сила, с которой гравитационное поле
Земли действует на тело (приложена эта
сила к центру масс тела).
2. Вес
тела
сила, с которой тело действует на
горизонтальную опору или нить, удерживающую
его от свободного падения (сила упругости
по своей природе). Приложена сила к опоре
(нити). В инерциальной системе отсчета
.
3. Сила
реакции опоры
сила, с которой поверхность опоры
действует на тело (сила упругости по
своей природе). Сила приложена к
телу
со стороны опоры и перпендикулярна
поверхности соприкосновения.
4. Сила
натяжения нити
сила, с которой нить действует на тело,
подвешенное к нити. Сила приложена к
телу и направлена вверх по нити.
5. Сила
трения
.
Сила - мера механического взаимодействия тел. Сила является причиной изменения скорости тела или возникновения в нём деформаций (изменение формы или объема). Сила − векторная величина, характеризующаяся модулем (величиной), направлением и точкой приложения силы. Линия действия силы - прямая, проходящая через точку приложения силы, и продолжающая направление вектора силы. Единицей измерения силы в системе СИ является Ньютон [Н]. Все силы в природе основаны на четырех типах фундаментальных взаимодействий:
- электромагнитные силы, действующие между электрически заряженными телами,
- гравитационные силы, действующие между массивными объектами,
- сильное ядерное взаимодействие, действующее в масштабах порядка размера атомного ядра и меньше (отвечает за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами в ядрах).
- слабое ядерное взаимодействие, проявляющееся на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра.
Интенсивность сильного и слабого взаимодействия измеряется в единицах энергии (электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина «сила» условно. Действие силы может место как при непосредственном контакте (трение, давление те друг на друга при непосредственном контакте), так и посредством создаваемых телами полей (поле тяготения, электромагнитное поле). Интересный и познавательный сайт http://mistermigell.ru для вас.
С точки зрения действия сил на систему, рассматривают:
- внутренние силы - силы взаимодействия между точками (телами) данной системы;
- внешние силы - силы, действующие на точки (тела) данной системы со стороны точек (тел), не принадлежащих данной системе. Внешние силы называют нагрузками.
Силы можно разделить на:
- реактивные силы − реакции связи. Если движение тела в пространстве ограничивается другими тела (связями, опорами), силы, с которыми эти тела действуют на данное тело, называют реакциями связи (опоры).
- активные силы - силы, характеризующие действие других тел на данное и изменяющее его кинематическое состояние. Активны силы, в зависимости от вида контакта, подразделяются на
- объемные - силы, действующие на каждую частицу тела, например, вес тела;
- поверхностные - силы, действующие на участок тела и характеризующие непосредственный контакт тел. Поверхностные силы бывают:
- сосредоточенными - действующими на площадках, которые малы по сравнению с телом, например, давление колеса на дорогу;
- распределенными - действующими на площадках, которые не малы по сравнению с телом, например, давление гусеницы трактора на дорогу.
Наиболее известные силы:
Силы упругости
− силы, возникающие при деформации тела и противодействующие этой деформации, имеет электромагнитную природу, являясь проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы упругости направлен противоположно перемещению, перпендикулярно поверхности. Например, если сжать резинку, после снятия нагрузки она восстановит свою форму под действием силы упругости.
Силы трения
− сила, возникающие при относительном движении твёрдых тел и противодействующие этому движению, имеют электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы трения направлен противоположно вектору скорости. Например, сила трения возникает при скольжении санок по снегу, между подошвой ног и землей.
Силы сопротивления среды
— силы, возникающие при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде, имеют электромагнитную природу, являясь проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы сопротивления направлен противоположно вектору скорости. Например, при движении самолета в воздухе.
Силы поверхностного натяжения
− силы, возникающие на поверхности фазового раздела, имеют электромагнитную природу, являясь проявлением межмолекулярного взаимодействия. Сила натяжения направлена по касательной к поверхности раздела фаз. Например, монетка может лежать на поверхности жидкости, насекомые бегают по воде.
Сила всемирного тяготения
− сила, с которой любые тела Вселенной притягивают друг друга, она прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Например, Земля притягивается к Солнцу, и, в то же время, Земля притягивает Луну и Солнце.
Сила тяжести
− сила, действующая на тело со стороны Земли, которая сообщает ему ускорение свободного падения. Сила тяжести - это сумма сил гравитационного притяжения и центробежной силы вращения Земли. Например, под действием силы тяжести тела падают Земли.
Сила инерции
− фиктивная сила (не является мерой механического взаимодействия), вводимая при рассмотрении относительного движения в неинерциальных системах отсчёта (движущихся с ускорением) для того, чтобы в них выполнялся второй закон Ньютона. В системе отсчёта, связанной с равноускоренно движущимся телом, сила инерции направлена противоположно ускорению. Из полной силы инерции могут быть для удобства выделены центробежная сила, направленная от оси вращение тела, и сила Кориолиса, возникающая при движении тела относительно вращающейся системы отсчета.
Существуют и другие силы.
Денис, 6 класс, ХФМЛ % 27