Типы сил в природе

Типы сил

Подробности Категория: Механика Опубликовано 13.06.2014 19:02 Просмотров: 11138

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 м3·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.

Ft = mg,

следовательно,

g = Ft/m

g = 9, 81 м/с2 на полюсах Земли, а на экваторе g = 9,78 м/с2.

При решении простых физических задач величину g принято считать равной 9,8 м/с2.

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:

Fтр. = 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 Ft – сила трения качения;

f – коэффициент трения качения;

R – радиус катящегося тела;

N – прижимающая сила.

Простая физика — 4. Виды сил и взаимодействий в материальном мире.

С неделю назад провел опрос «Интересна ли Вам серия «Простая физика»?». 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.

Основные типы сил в механике

Силы в природе

При рассмотрении механических задач большинство сил, действующих на тела, можно отнести к трем основным разновидностям:

— сила всемирного тяготения;

— сила трения;

— сила упругости.

Рассмотрим падение некоего тела с высоты без начальной скорости (Рис. 1).

Рис. 1. Падение тела с высоты без начальной скорости (Источник)

Все окружающие нас тела притягиваются к Земле, это обусловлено действием сил всемирного тяготения. Если мы будем пренебрегать сопротивлением воздуха, то мы уже знаем, что все тела падают на Землю с одинаковым ускорением – ускорением свободного падения.

Тело, подвешенное на пружине динамометра (рис. 2):

Рис. 2. Тело, подвешенное на пружине динамометра (Источник)

Как и всякий предмет, тело, подвешенное на пружине, стремится упасть вниз из-за притяжения Земли, но, когда пружина растянется до некоторой длины, тело останавливается, то есть приходит в состояние механического равновесия. Мы уже знаем, что механическое равновесие наступает, когда сумма сил, действующих на тело, равна нулю. Это означает, что сила тяжести, действующая на груз, должна уравновеситься с некоторой силой, действующей со стороны пружины. Эта сила, направленная против силы тяжести и действующая со стороны пружины, называется силой упругости.

Движение тела по шероховатой поверхности с некоторой начальной скоростью (Рис. 3):

Рис. 3. Движение тела по шероховатой поверхности с некоторой начальной скоростью (Источник)

Пройдя некоторое расстояние, тело останавливается, скорость тела уменьшается от начального значения до нуля, то есть ускорение тела – величина отрицательная. Следовательно, на тело со стороны поверхности действует сила, которая стремится остановить это тело, то есть действует против его скорости. Эта сила называется силой трения.

Рассмотрим более подробно силу упругости.

Любое твердое тело оказывает противодействие попыткам изменить его размеры или форму. Изменение размеров или формы твердого тела называется деформацией. Существует пять основных видов деформации:

  1. Растяжение
  2. Сжатие
  3. Кручение
  4. Изгиб
  5. Сдвиг

Любые деформации, величина которых мала по сравнению с размерами тела, вызывают внутри этого тела появлению сил упругости, которые стремятся вернуть это тело в изначальное положение. Нас интересуют деформации растяжение и сжатие, поскольку остальные виды деформаций физически совершенно аналогичны, а их математическое описание гораздо более сложно.

Сила упругости подчиняется закону, который был открыт экспериментально английским ученым Робертом Гуком в 1660 году (рис. 4).

Рис. 4. Эксперимент Роберта Гука (Источник)

Твердый стержень подвергался деформации растяжения, при этом измерялась сила упругости, возникающая в стержне. Для количественного описания деформации стержня используется величина – удлинение, то есть разность между длиной стержня в растянутом и не растянутом состоянии. Оказалось, что при малых деформациях величина силы упругости прямо пропорциональна удлинению. Направление силы упругости противоположно перемещению противоположного конца стержня, коэффициент упругости или коэффициент жесткости зависит от размеров стержня и материала, из которого он изготовлен.

Проверим роль этого коэффициента на опыте.

К трем различным пружинам подвесим груз одинакового веса в 1 ньютон (Рис. 5). Мы увидим, что три пружины растянутся на разную величину. Естественно, что пружина, у которой жесткость наибольшая, растянется на наименьшую величину и пружина, жесткость у которой наименьшая, будет растянута больше всего. Величина удлинения является положительной при растяжении стержня и отрицательной при сжатии.

Рис. 5. Опыт с пружинами (Источник)

Формула Fупр = — kx представляет математическую запись закона Гука, знак минус в формуле отражает тот факт, что сила упругости противоположна перемещению свободного конца стрежня. Закон Гука гласит:

Сила упругости, возникающая в стержне при его малой деформации, прямо пропорциональна величине его удлинения и направлена в сторону, противоположную перемещению свободного конца стержня.

Что же служит причиной возникновения сил упругости? Как мы помним, все вещества состоят из молекул, между которыми действуют силы притяжения и отталкивания. Причем силы притяжения начинают играть заметную роль, когда расстояние между двумя молекулами превышает некоторое равновесное значение, а силы отталкивания начинают играть заметную роль, когда это расстояние меньше равновесного значения (рис. 6).

Рис. 6. Взаимодействие сил притяжения и отталкивания (Источник)

Растяжение стержня как раз и означает увеличение расстояния между молекулами, сжатие же стержня означает уменьшение этих расстояний. Таким образом, мы можем сделать вывод, что сила упругости является следствием наличия межмолекулярного взаимодействия. На малых расстояниях молекулы отталкиваются, на больших расстояниях притягиваются.

Примеры задач

Разберем два примера, которые помогут нам в решении задач.

1. Если груз с некоторой массой положить на горизонтальную поверхность, то этот груз начнет оказывать на поверхность давление, силу этого давления называют весом груза (рис. 7).

Рис. 7. Пример задачи на силу реакции опоры (Источник)

Под действием этой силы давления опора начнет деформироваться, если говорить о виде деформации, то это будет деформация сжатия. В результате этой деформации внутри опоры возникнут силы упругости, которые будут стремиться уменьшить эту деформацию. Эти силы будут направлены против силы давления груза, Эту силу упругости, которая возникает в опоре при давлении на нее груза, называют силой реакции опоры. Абсолютно такая же сила реакции возникает, если груз давит на не горизонтальную опору.

2. Подвес подвергается деформации растяжения (рис. 8).

Рис. 8. Пример на силу реакции подвеса (Источник)

Силу упругости, возникающую в подвесе, называют силой реакции подвеса, иногда силой натяжения. Важно знать особенность сил упругости, которая возникает при контакте двух макроскопических тел: в этом случае сила упругости всегда будет перпендикулярна поверхности соприкосновения. Если же речь идет о тонких телах, то есть стержни, шнуры, то в них сила упругости будет всегда направлена вдоль осей этих тел.

Прикладное значение силы упругости

Нельзя обойти вниманием одно из простых, но важных применений силы упругости, а именно измерении сил в механике. Прибор для измерения силы называется динамометром. Самый простой динамометр изображен на Рис. 9. Если к свободному концу пружины приложить некоторую силу, то пружина подвергается деформации растяжения. Если к каждому значению удлинения пружины подставить значение силы в ньютонах, то мы можем проградуировать этот прибор. После этого мы получим полноценный прибор для измерения сил. Этот прибор характерен тем, что силы будут измеряться, если груз подвесить к пружине. Существует и другая разновидность динамометра, которая может измерять силы не только при подвешивании, но и при закреплении его сверху (Рис. 9).

Рис. 9. Динамометр демонстрационный (Источник)

Задача 1

Рассмотрим задачу о движении тела под действием силы упругости в случае отсутствия других сил, скорость движения тела и сила упругости направлены вдоль одной и той же прямой (рис. 10).

Рис. 10. Задача 1 (Источник)

Моделью такой задачи может служить тело, лежащее на гладкой горизонтальной поверхности и прикрепленное к пружине. Гладкость поверхности нам необходима, чтобы пренебречь трением между поверхностью и телом. Предположим, что в некоторый начальный момент времени мы оттянули тело на некоторое расстояние от первоначального положения тела и отпустили.

В соответствии со вторым законом Ньютона тело движется так, что его ускорение равно отношению равнодействующей всех сил, действующих на тело, к его массе. При этом нет необходимости рассматривать вертикально направленные силы, поскольку они взаимно скомпенсированы и проекция ускорения на вертикальное направление равна нулю. Следовательно, необходимо рассмотреть лишь горизонтальные силы и проекцию ускорения. В горизонтальном направлении действует лишь сила упругости, поэтому уравнение движения будет выглядеть таким образом: масса тела, умноженная на проекцию горизонтального ускорения, будет равна -kx, где -kx и есть сила упругости Fупр, действующая со стороны пружины.

Решив это уравнение, мы могли бы полностью описать движение тела, но процесс решения был бы затруднителен из-за того, что, как мы видим из уравнения, ускорение прямо пропорционально удлинению пружины. Удлинение постоянно меняется с течением времени, следовательно, и ускорение так же будет меняться со временем. В этой задаче мы сталкиваемся с новым типом движения, в котором ускорение не постоянно. Пока теоретически мы его изучить не можем, изучим его на опыте – при проведении эксперимента можно обнаружить, что движение тела носит периодический характер, то есть оно двигается вправо и влево, постоянно повторяя свое движение. Такое движение в механике называют колебательным, и в последующих уроках мы изучим его более подробно.

Задача 2

На рисунке 11 представлен график зависимости модуля силы упругости от удлинения пружины. Какова жесткость пружины?

Приведены четыре варианта ответа:

1. 750 Н/м; 2. 75 Н/м; 3. 0,13 Н/м; 4. 15 Н/м.

Рис. 11. Задача 2 (Источник)

Воспользуемся математической записью закона Гука, применив операцию взятия модуля к обеим частям равенства. Поскольку удлинение пружины – величина положительная, в правой части равенства модуль можно не писать. Таким образом, мы видим, что модуль силы упругости равен kx, где k – коэффициент жесткости пружины, x – удлинение пружины. Выберем на графике точку, которую сможем легко определить, пусть это будет точка А. Мы видим, что при удлинении пружины, равном 8 см, сила упругости равна 60 Н. Если воспользоваться записью закона Гука и разделить силу упругости на удлинение пружины, то мы бы могли определить коэффициент жесткости. Но нужно учесть, что мы работаем в системе СИ, а график приведен таким образом, что удлинение дано в сантиметрах. Значит до того, как мы будем искать ответ, мы должны перевести удлинение в метры. После проведенных преобразований получим, что коэффициент жесткости равен 750 Н/м. Правильный вариант ответа – номер 1.

Подводя итоги, можем сказать, что сегодня мы рассмотрели одну из трех разновидностей сил в природе, силу упругости. Мы рассмотрели закон Гука, которому подчиняется сила упругости и который гласит, что величина силы упругости прямо пропорциональна величине деформации. Также разобрали ряд практических примеров.

Список литературы

Четыре типа сил

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ по ФИЗИКЕ ТСП 2 курс

1. Основные понятия динамики: масса, сила, инерция, инертность, законы Ньютона.

Масса — количественная мера инертности тела. Единица измерения массы в СИ называется килограмм (кг).

Сила — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей.

Инерция — это свойство материального тела оказывать сопротивление изменению скорости его движения (как по величине, так и по направлению).

Инертность — свойство тела в большей или меньшей степени препятствовать изменению своей скорости относительно инерциальной системы отсчёта при воздействии на него внешних сил.

Законы Ньютона:

1. Материальная точка находится в покое или движется равномерно и прямолинейно, если на неё не действуют силы или действующие силы на точку уравновешены.

2.Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально действующей на него силе, обратно пропорционально массе тела и по направлению совпадает с направлением действия силы.

3.Силы, с которыми материальные тела действуют друг на друга, равны по величине, противоположны по направлению и направлены по прямой, проходящей через эти тела.

2. Силы в природе.

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.

3. Сила всемирного тяготения, вес, невесомость, свободное падение.

Сила тяготения — сила взаимного притяжения, действующая между всеми материальными телами.
В 1682 году Ньютон открыл закон всемирного тяготения: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Невесо́мость — состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует.

Формула:
Р=0, где Р — вес, то есть сила, с которой тело действует на опору или подвес.

Свобо́дное падéние — это равноускоренное движение под действием силы тяжести.

g — ускорение свободного падения, 9.81 (м/с²),

4. Движение тела под действием нескольких сил.

Обычно на тело действуют одновременно несколько сил. Наряду с силами тяжести и упругости почти всегда действует сила трения. Учитывать силу трения особенно необходимо в случаях, когда рассма-тривается движение транспорта.

Хорошо известно, что для избежания аварий следует сохранять определенную дистанцию между автомобилями; в дождливую погоду или в гололедицу она должна быть больше, чем в сухую погоду. Возникают вопросы: какой должна быть эта дистанция и как она зависит от скорости движения автомобиля? Чтобы на них ответить, рассмотрим задачу.

На движущееся равномерно по горизонтальной поверхности тело, действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила трения и сила, под действием которой тело движется.

Обозначим силы, выберем координатные оси

Найдем проекции

Записываем уравнения

Тело, которое прижимают к вертикальной стенке, равноускоренно движется вниз. На тело действуют сила тяжести, сила трения, реакция опоры и сила, с которой прижимают тело. Вектор ускорения направлен вертикально вниз. Равнодействующая сила направлена вертикально вниз.

Тело равноускоренно движется по клину, наклон которого альфа. На тело действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила трения.

Виды сил

Введение

Тела взаимодействуют, и эти взаимодействия влияют на то, будет ли двигаться тело и как именно. Силы взаимодействия определяют ускорение. Какова природа этих сил? Можно толкнуть тело рукой, и оно сдвинется – с таким действием всё понятно. Но есть множество других взаимодействий. Например, если мы разожмём пальцы, то тело упадёт вниз. В воздухе тело упадет быстрее, чем тонуло бы в воде. Это означает, что на тело действуют какие-то силы. Тело лежит на столе и давит на него – тоже взаимодействие. Вещества состоят из структурных частиц – эти частицы как-то взаимодействуют друг с другом. Возникает вопрос, как это всё учесть и рассчитать, ведь нам приходится отвечать на вопрос: «Что, если…?», предсказывать явления.

Классификация сил

Любые два тела притягиваются. Явление притяжения по-другому называют гравитацией. Мы её ощущаем по тому, что Земля притягивает тела: преодолеваем гравитацию, когда поднимаем что-то тяжелое, и наблюдаем её действие, когда тело падает. Сила притяжения зависит от масс тел и от расстояния между ними. Масса Земли огромна, поэтому к ней тела притягиваются заметно. Две книги на полке тоже притягиваются друг к другу, но так слабо из-за малых масс, что мы этого не замечаем.

Притягивает ли нас Луна? А Солнце? Да, но намного меньше, чем Земля, из-за большого расстояния. Мы на себе притяжение Луны не ощущаем, а вот приливы и отливы происходят из-за притяжения Луны и Солнца. А черные дыры обладают настолько большой массой, что притягивают даже свет: проходящие мимо лучи искривляются.

Все тела притягиваются. Возьмем тело, которое лежит на столе. Оно притягивается к Земле, но остается на месте. Чтобы сохранялось состояние покоя, силы, действующие на тело, должны быть уравновешены. Значит должна быть сила, которая уравновешивает силу тяжести. В данном случае это сила, с которой на тело действует стол. Такую силу назвали силой реакции опоры (см. рис. 1).

При этом тело давит на стол. Если мы рассматриваем, как движется тело, нам не важно, что происходит со столом. Но если мы рассматриваем, что произойдет со столом, то нужно будет учесть это воздействие. Силу, с которой тело действует на опору или подвес, назвали весом:

Рис. 1. Взаимодействие гири и стола

Чтобы сдвинуть любое тело, надо приложить силу. В этом и заключается инертность. Если мы попробуем сдвинуть гирю на столе, она до некоторого предела вообще не сдвинется. Значит и здесь возникает некоторая сила, которая уравновешивает наше воздействие. Эта сила – сила трения:

Рис. 2. Сила трения

Что-то похожее происходит, когда мы поднимаем гирю. Она тоже сначала не поднимается, пока наша сила не превзойдет порог: здесь этот порог – сила притяжения Земли.

Если вместо стола будет пружина, она сожмется, и будет также действовать на это тело. Тело действует на стол или пружину, они прогибаются, их молекулы смещаются (см. рис. 3), а при смещении молекул между ними возникают силы отталкивания, препятствующие дальнейшей деформации:

Рис. 3. Сила отталкивания

Отличие в том, что деформация стола чаще всего настолько мала, что ее трудно заметить, а некоторые тела деформируются значительно больше, как пружина или резинка. Мало того, по деформации такого тела можно судить о силе, которая в нем возникла. Это удобно для расчетов, поэтому эту силу изучают отдельно – ее назвали силой упругости.

А если тело положить на поверхность воды? В воде многие предметы становятся легче, значит, есть сила, которая их «приподнимает». Для некоторых тел ее достаточно, чтобы они плавали на поверхности – это и кусок пенопласта или древесины, и корабль. Благодаря этой силе мы вообще можем плавать. Эту силу назвали силой Архимеда.

Конечно, эта классификация достаточно условна. Природа силы реакции опоры и силы упругости одна и та же, но удобно их изучать отдельно. Или рассмотрим такой случай: гиря лежит на опоре и ее тянут вверх за нитку. Гиря действует и на опору, и на нитку – какую из этих сил считать весом и как назвать вторую силу? Важно рассмотреть две силы, на что они действуют, и решать задачу независимо от названий. По большому счету есть только взаимодействие атомов, но для удобства мы придумали несколько моделей.

Сила притяжения

Можно провести опыт: подвесить на нити два груза на перекладине, чтобы они уравновесились. Если мы поднесём к одному из грузов гирю, система будет вращаться, это значит, что грузик и гиря притягиваются друг к другу. Действует закон всемирного тяготения.

Закон всемирного тяготения

Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения:

Любые два тела притягиваются друг к другу, причем сила притяжения прямо пропорциональна массам этих тел, и обратно пропорциональна расстоянию между их центрами масс. Математически закон всемирного тяготения записывается так:

где m(1,2) – массы взаимодействующих тел, а R — расстояние между их центрами масс. Силы всемирного тяготения также называют гравитационными силами, а коэффициент пропорциональности G в законе всемирного тяготения называют гравитационной постоянной. Она равна .

Закон всемирного тяготения можно использовать для вычисления сил притяжения между любыми телами. Представьте, вы сидите перед монитором. Допустим, масса монитора равна 2 кг, а масса человека – 70 кг, расстояние примем равным 1 м. Тогда сила взаимодействия по формуле получится есть . Это настолько мало, что мы абсолютно не замечаем такое слабое взаимодействие. Коэффициент пропорциональности G в формуле принимает очень малое значение, . Если на земле будет лежать гвоздь и мы поднесем к нему магнит, то гвоздь притянется к маленькому магниту сильнее, чем к планете. Тем не менее, если взять взаимодействие двух небесных тел, например, планет, то в формулу надо будет подставлять огромные массы, тогда сила будет гораздо больше, несмотря на большие расстояния. Да и на движение небольших тел вблизи поверхности Земли, Земля оказывает значительное влияние.

Сила тяжести – это сила, с которой тело притягивается к Земле. Конечно, другие планеты тоже вступают в гравитационное взаимодействие и для них тоже можно вычислить силу тяжести. Гравитационные силы, а значит и сила тяжести, направлены по отрезку, соединяющему центры масс взаимодействующих тел. Мы привыкли направление к центру Земли называть «вниз».

Галилео Галилей опытным путем установил: все тела вблизи поверхности Земли падают с одинаковым ускорением. Рассмотрим случай, когда на тело действует только сила тяжести. Эта сила и дает телу ускорение, по второму закону Ньютона . Дело в том, что если увеличить массу тела , сила тяжести увеличится во столько же раз , и из формулы увидим, что тело будет двигаться с тем же ускорением: То есть для разгона с тем же ускорением более тяжелых тел нужна бόльшая сила, и на них как раз и действует бόльшая сила тяжести. Это называется ускорением свободного падения. Для Земли оно равно примерно 9,8 м/.

Принято обозначать это ускорение буквой «g». Сама же сила тяжести чаще всего обозначается как Fтяжести, или кратко Fт. И по ускорению, которое создает сила, можно найти саму силу:

Почему бумага падает медленнее железа?

Мы рассматривали движение тел, на которые действует только сила тяжести. Эта сила сообщает всем телам одинаковое ускорение. Но не всегда действием остальных сил можно пренебречь. Например, при определенной форме тела существенной становится сила сопротивления воздуха. Возьмем железный шарик и скомканный лист бумаги такой же массы. Силы тяжести на них действуют одинаковые, но на бумагу дополнительно действует сопротивление воздуха, которым пренебречь нельзя, и поэтому бумага движется с другим ускорением. Если бросить железо и бумагу в безвоздушном пространстве, то можно снова рассматривать ситуацию, когда на тело действует только сила тяжести, и оба тела упадут с одним и тем же ускорением.

Даже если тело лежит на столе, на него действует та же сила тяжести, которую мы так же рассчитываем по формуле: масса на ускорение свободного падения. Казалось бы, при чем здесь ускорение, когда тело не движется? Так вот, это ускорение, с которым тело двигалось бы, если бы на него действовала только сила тяжести. По этому ускорению можно рассчитать силу, она будет той же: .

«Ускорение свободного падения в разных частях Земли»

Принято считать величину “g”, то есть ускорение свободного падения, величиной постоянной, равной около 9,8 м/с2. Но с оговоркой: «для нашей планеты». На других небесных телах так же действуют силы тяготения, но ускорение свободного падения там отличаются от нашего. Например, на Марсе ускорение свободного падения всего 3,71 м/с2.
Но на самом деле, даже на одной нашей планете это ускорение будет иметь разные значения в разных местах на Земле.

Известное число 9,8 – это усредненное значение для всей планеты. Наша планета, как известно, не круглая, а немного приплюснута на полюсах. И именно на этих полюсах, ускорение свободного падения немного больше, чем на других широтах: на полюсах g = 9,832 м/с2, а на экваторе — 9,78 м/с2.

Это объясняется тем, что ускорение свободного падения зависит от расстояния до центра Земли.

Формула, по которой можно найти ускорение: (сила тяжести, действующая на тело, делить на массу этого тела). Сила гравитационного взаимодействия: . — это расстояние от центра Земли до тела, если R – это радиус Земли, а тело находится на высоте h над поверхностью. Разделим силу на массу тела и получим ускорение свободного падения:

Чем больше расстояние, тем меньше ускорение свободного падения. Поэтому в горах оно меньше, чем у поверхности Земли.

Чем больше расстояние от тела до планеты, тем слабее действует на него сила тяжести и тем меньше ускорение свободного падения. Вблизи поверхности можно считать h равным нулю, тогда g будет постоянным и равным . Какую высоту мы еще можем считать «вблизи», а какую уже нет? Точность диктуется целью задачи. Для некоторых задач мы можем считать g постоянным на высотах в сотни километров. Если мы рассматриваем книгу, лежащую на столике в летящем самолете, то нам не так важно, что ускорение свободного падения будет отличаться на несколько сотых . А если мы рассчитываем запуск спутника, нам нужна бόльшая точность, эти несколько сотых нельзя опустить, приходится учитывать даже отличия радиуса Земли на экваторе и на полюсах. Для многих задач, достаточно привычного значения или даже .

Если тело покоится на какой-то поверхности (опоре), то на него действует сила тяжести и сила реакции опоры, и они уравновешиваются.

Сила реакции опоры – это сила, с которой опора действует на тело.

Силы тяжести и реакции опоры приложены к нашему телу и действуют на него. В рассмотренном примере, когда тело лежит на горизонтальной поверхности, сила реакции опоры равна силе тяжести, и направлена в противоположную сторону, то есть вертикально вверх:

Рис. 4. Сила реакции опоры

Обычно обозначают силу реакции опоры буквой N.

Опора действует на тело, а тело действует на опору (или нить, если оно висит на нити).

Вес тела – это сила, с которой тело действует на опору или подвес:

Рис. 5. Вес тела

Вес тела чаще всего обозначают буквой «Р», и по модулю он равен силе реакции опоры (по третьему закону Ньютона: с какой силой одно тело действует на другое, с такой же силой второе тело действует на первое): P=N.

Если тело покоится на горизонтальной поверхности, на него действуют сила тяжести и сила реакции опоры. Они уравновешиваются, . Тогда и вес равен .

Часто понятие «вес тела» путают с массой тела. Это уже стало нормой для разговорной речи: «взвесить», «сколько весишь», «весы». Вес – это сила, с которой тело действует, а масса – характеристика самого тела, мера инертности. Легко проверить: стоя на весах, мы видим значение массы, которое вычислено по весу. Если немного подпрыгнуть, то цифра изменится. Но ведь масса не поменялась. Это поменялся вес, сила, с которой мы давим на поверхность весов. А на МКС космонавт вообще не давит на весы, его вес равен нулю – и это состояние называется невесомость.

Тело тоже притягивает Землю, но на движение огромной Земли эта сила не влияет, поэтому ее не рассматривают. Прикасаясь к опоре, тело давит на опору своим весом, а опора на тело – с силой реакции опоры. Это вторая пара сил в этой системе. Если мы описываем движение конкретного тела, мы рассматриваем силы, которые действуют на него, например, сила тяжести и сила реакции опоры.

Сила трения

Рассмотрим силу, которая возникает, когда одни тела движутся относительно других, соприкасаясь с ними – силу трения.

Сила трения — сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их перемещению друг относительно друга:

Рис. 6. Сила трения

Если пнуть мяч – он покатится и через какое-то время остановится. Санки, с какой бы высокой горки ни съехали – также остановятся.

Рассмотрим два вида трения. Первое – это когда одно тело скользит по поверхности другого — например, при спуске с горы на санках, его назвали трение скольжения. Второе – когда одно тело катится по поверхности другого, например, мяч по земле, его назвали трение качения.

Обозначают силу трения , и вычисляют по формуле:

где N – сила реакции опоры, с которой мы уже познакомились, а µ — это коэффициент трения между данными двумя поверхностями.

Чем сильнее будут прижаты друг к другу тела, тем сила трения будет больше, то есть сила трения пропорциональна силе реакции опоры.

Трение возникает из-за взаимодействия частиц, из которых состоит вещество. Поверхность не может быть идеально гладкой, всегда есть выступы, шероховатости. Выступающие части поверхностей задевают друг друга и препятствуют движению тела. именно поэтому для движения по гладким (полированным) поверхностям требуется прикладывать меньшую силу, чем для движения по шероховатым.

Всегда ли трение уменьшается при полировке?

Полируя, мы уменьшаем количество и размер неровностей, которые препятствуют относительному движению двух поверхностей. Значит, чем лучше отполированы поверхности, тем лучше они будут скользить друг по другу и тем меньше будет сила трения между ними. Можно ли отполировать так, что сила трения вообще будет равна нулю? В какой-то момент неровности станут настолько незначительными, что в контакт придет огромное количество частиц двух поверхностей, а не только частицы шероховатостей, и эти все частицы будут взаимодействовать и препятствовать движению. Получается, что есть предел, до которого сила трения уменьшается при полировке поверхностей, а затем количество взаимодействий между частицами, а поэтому и сила трения, увеличивается. Поэтому мы иногда замечаем, что слишком гладкие поверхности «слипаются».

Для тел из одних и тех же материалов сила трения при качении будет меньше, чем сила трения скольжения. Люди знали это уже давно, поэтому придумали колесо.

Но какое бы трение ни было, сила трения направлена в сторону, противоположную относительному смещению поверхностей. Причём направлена она вдоль линии, по которой тела соприкасаются.

«Разные виды трения»

Существуют разные виды сил трения.

Например, на столе лежит тяжёлая книга. Для того, чтобы ее сдвинуть, потребуется некоторое усилие. И если на книгу нажать слишком слабо — она не тронется с места. Мы же прикладываем силу, почему нет ускорения? Силу, с которой мы толкаем книгу, уравновешивает сила трения между нижней обложкой книги и столом. Эта сила трения препятствует твёрдым телам приходить в движение. Поэтому она называется силой трения покоя.

Сила трения покоя направлена также против движения — того движения, которое только ещё должно было бы возникнуть:

Рис. 7. Сила трения покоя

Чтобы сдвинуть что-то с места, нужно приложить силу, которая больше максимальной силы трения покоя.

При движении жидкости или газа, отдельные слои этих веществ движутся один относительно другого. Между ними возникают силы внутреннего или вязкого трения.

При небольшой скорости течения, в отсутствие вихрей, течение жидкости будет происходить послойно. То есть, жидкость можно мысленно разделить на параллельные слои, каждый слой имеет свою скорость. Слой, находящийся непосредственно у дна, будет неподвижен. Следующий слой будет «скользить» по неподвижному слою. Затем слой с еще большей скоростью относительно дна, скользящий по предыдущему, и т.д. (см. рис. 8). И таким образом, между более быстрым и более медленным слоями жидкости будет действовать сила вязкого трения. Возникает она из-за взаимодействия атомов и молекул жидкостей и газов, движущихся с разными скоростями: быстрые молекулы будут сталкиваться с медленными, при этом замедляясь.

Рис. 8. Движение воды вблизи стенки сосуда

Почему предметы сдвигаются с рывком?

Когда мы пытаемся что-то сдвинуть, возникает сила трения покоя. Она уравновешивает силу F, которую мы прикладываем, и тело остается на месте. Чем бόльшую силу мы прикладываем, тем бόльшая сила трения покоя возникает. Сила трения покоя не может увеличиваться бесконечно, она имеет предел. Тело сдвинется: сила трения окажется меньше, чем приложенная нами сила F. Когда тело сдвинулось с места, возникает сила трения скольжения. Она немного меньшая, чем максимальная сила трения покоя. То есть в момент сдвига мы приложили силу, равную максимальной силе трения покоя, тело сдвинулось – а сила трения резко уменьшилась. Резче, чем мы можем уменьшить нашу силу F для равновесия. Поэтому в этот момент обычно происходит рывок: для сдвига тела, отрыва, мы прикладываем бόльшую силу, чем нужна потом при движении. Попробуйте одним пальцем сдвинуть книгу на столе на один миллиметр. С первого раза может не получиться, она из-за рывка будет сдвигаться на пару сантиметров.

Сила Архимеда

На все тела, погруженные в жидкость или газ, а в частности в воду, действует выталкивающая сила. Сила направлена вверх, против силы тяжести:

Рис. 9. Выталкивающая сила

Эта сила называется силой Архимеда, в честь древнегреческого физика и математика, открывшего ее.

Сила Архимеда – это выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость (газ) и равная весу вытесненной телом жидкости (газа). Обозначают ее обычно Fархимеда, или Fa.

Для ее вычисления пользуются формулой.

где ρ – это плотность жидкости, g – ускорение свободного падения и V – объем погруженной части тела.

Сила Архимеда равна весу вытесненной жидкости. Это похоже на весы, только противовесом нашему телу служит не груз на второй чаше весов, а вода вокруг тела.

Вес вытесненной воды в состоянии покоя: . Массу вытесненной воды вычисляют через плотность и объем: . Объем вытесненной воды равен объему погруженной в нее части тела, . Если подставить все выражения:

.

В формуле для силы тяжести () тоже можно выразить массу через плотность, , тогда можно записать: .

Погрузим любое тело в воду и отпустим. На него действует сила тяжести и сила Архимеда. Если сила тяжести больше, то тело начинает двигаться вниз. Когда тело погружено в воду полностью, , сравнение силы тяжести и силы Архимеда сводится к сравнению плотностей тела и жидкости. То есть тело тонет, когда его плотность больше плотности жидкости. А если плотность тела меньше, то тело будет всплывать, пока не покажется из-под поверхности. Тогда объем погруженной части будет уменьшаться, пока сила тяжести не сравняется с силой Архимеда. И тогда тело будет плавать в состоянии равновесия на поверхности.

Точно так же сила Архимеда действует в любой жидкости и газе, в частности в воздухе. Ею пренебрегают, если она мала по сравнению с силой тяжести, действующей на тело. Но, например, гелиевый шарик обладает очень маленькой массой из-за маленькой плотности гелия, поэтому сила тяжести даже меньше, чем архимедова сила, с которой воздух выталкивает шарик. В данном случае учитывают архимедову силу, потому что благодаря ей гелиевый шарик взлетает.

Сила упругости

Сила упругости – это сила, возникающая при деформации тела, которая стремится вернуть ему прежние размеры и форму:

Рис. 10. Сила упругости

Чем сильнее мы деформируем тело, чем большую приложим силу, тем больше тело будет сопротивляться деформации, то есть возникнет сила упругости (см. рис. 11). Величина силы упругости зависит от того, насколько удлинилось или сжалось тело, относительно исходного состояния.

Рис. 11. Большая сила упругости при большей деформации

Рассмотрим небольшую деформацию, при которой тело возвращается в исходное состояние. Такую деформацию назвали упругой. Рассмотрим пример: если мы растянули резинку для волос, и она стала длиннее на 3 см, то это называется абсолютным удлинением, это обычно записывают как Δх или Δl.

Силу упругости удобно обозначать Fупр, и рассчитывается она по формуле, которая является записью «закона Гука»:

Сила упругости, возникающая при упругой деформации тела, пропорциональна величине деформации.

k – это коэффициент жесткости материала, из которого изготовлено тело, а Δх — это разница между длиной тела до и после деформации ().

Рис.12. Сила упругости

Например, если для резинки , то чтобы растянуть ее на 3 см, нужно приложить силу 15 Н. По этой формуле можно рассчитать модуль силы. Сила направлена противоположно направлению деформации.

Чем мы пренебрегаем при описании взаимодействия тел

Заменим тело точкой — введем модель и назовем ее материальной точкой. При этом мы пренебрегаем тем, куда именно к телу приложена сила. Когда бублик лежит на столе, на каждую его часть действует сила тяжести и сила реакции опоры, но мы можем заменить его точкой и считать, что к ней приложены силы, действующие на бублик. Такая точка опишет движение всего тела, без учета того, куда именно к телу приложена сила.

На каждое тело действует бесконечное множество сил, поэтому учесть их все просто невозможно. Например: ребенок скатывается с горки – влияет ли на него Луна? Как-то влияет: у нее есть масса, находится на некотором расстоянии… Но влияет настолько слабо, что ее можно не учитывать. Если же мы будем решать задачу о полете космического корабля, то нам конечно нужно учесть, с какими силами действуют на него ближайшие космические объекты. Мы часто даже не замечаем, что отбрасываем: всё, кроме того, что считаем существенным для движения тела. Для ребенка на санках это взаимодействие с Землей (сила тяжести) и с поверхностью (сила реакции опоры и сила трения). В некоторых задачах сразу говорится пренебречь какими-то силами, влияниями на тело. Поэтому в зависимости от целей, мы выбираем удобную нам модель, включающую все необходимые силы. Проводя измерения, мы тоже отбрасываем лишнее. Если мы захотим измерить расстояние от дома до школы, мы будем измерять его в километрах, или метрах, если она близко. Но мы ведь не будем измерять его в миллиметрах. А вот при изготовлении ключа, важен каждый миллиметр. Эти границы можно сравнить с точностью записи числа. Например, число Пи для обычных задач мы принимаем равное 3,14. Это правильное значение, но округленное, так как нам не нужна максимальная точность. Ведь если записать Пи = 3,14159, то у ответа поменяется только третий знак после запятой, а это одна тысячная ответа. Таким образом, точность вычислений зависит от цели.

Равнодействующая сил

На тело может действовать одновременно несколько таких сил. Мы рассматриваем материальную точку и считаем, что все силы приложены к ней, в таком случае общий результат действия этих сил на тело можно заменить действием одной. Эта сила оказывает на тело такое действие, приводит к такому же результату, к какому приводит действие всех сил, приложенных к телу. Она показывает итоговое действие всех сил, приложенных к телу. Такую силу называют равнодействующей силой и обычно обозначают буквой R.

Рассмотрим силы, которые действуют вдоль одной прямой. Если две силы действуют в одну сторону, то они друг другу «помогают», складываются, равнодействующая равна . А если в противоположные – то, наоборот, «мешают» друг другу, и их действия вычитаются, . Если силы равны, то равнодействующая равна .

Противоположным направлениям мы приписываем противоположные знаки. А перед какой силой ставить минус, или :

Рис. 13. Противоположные силы

Можно для каждой конкретной задачи выбрать направление, которое будем считать положительным, и тогда сколько бы ни было сил, мы просто расставим перед ними плюсы и минусы в зависимости от направлений, и сложим. И если, например, равнодействующая получилась отрицательной, значит она направлена против выбранного направления, и наоборот.

Применим нашу модель, где знак + или – соответствует направлению к закону Гука: . Сила упругости направлена противоположно деформации , значит, нужно поставить знак минус:

Задача

Определите вес человека массой m = 50 кг в лифте, движущемся с ускорением a = 0,8 м/с2:

а) вверх; б) вниз.

В задаче описано ускоренное движение человека в лифте. Это подчиняется второму закону Ньютона: равнодействующая сила создает ускорение, .

На человека действуют сила тяжести Земли, обозначим ее , и сила реакции опоры, с которой пол лифта действует на человека, обозначим её , она направлена вверх. Силу тяжести легко рассчитать по формуле .

Решим сначала часть а), лифт движется с ускорением вверх

Направление вверх удобно считать положительным, это направление силы N, которую мы ищем, минус сила тяжести, равная :

Теперь решим часть б), лифт движется вниз.

В уравнении перед ma поставим знак минус (ускорение направлено против выбранного положительного направления). Запишем:

Задача решена.

Список рекомендованной литературы

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

  1. Объясните с физической точки зрения, для чего в древнем Египте при строительстве пирамид, а именно при перемещении бетонных блоков, использовали бревна.
  2. Проведите свои собственные наблюдения по действию различных сил в быту и опишите несколько примеров.

Фундаментальные взаимодействия

Другой пример фундаментальных сил природы — это тяготение. Со школы известен закон всемирного тяготения Ньютона, который теперь уже получил обобщение в уравнениях Эйнштейна — сейчас у нас есть теория тяготения Эйнштейна. Сила тяготения — это тоже фундаментальные взаимодействия в природе. И когда-то казалось, что существуют только эти две фундаментальные силы. Но впоследствии поняли, что это не так. В частности, когда было открыто атомное ядро и возникла проблема понять, почему же частицы удерживаются внутри ядра и не разлетаются, было введено понятие ядерных сил. Эти ядерные силы были измерены, поняты, описаны. Но впоследствии оказалось, что они тоже нефундаментальны — ядерные силы в некотором смысле напоминают силы Ван-дер-Ваальса.

Истинно фундаментальными силами, обеспечивающими сильное взаимодействие, являются силы между кварками. Кварки взаимодействуют друг с другом, и как вторичный эффект друг с другом взаимодействуют протоны и нейтроны в ядре. Фундаментальным взаимодействием является взаимодействие кварков с помощью обмена глюонами — это третья фундаментальная сила в природе.

Но и тут история не заканчивается. Оказывается, что распады элементарных частиц — а все тяжелые частицы распадаются на более легкие — описываются новым взаимодействием, которое получило название слабого взаимодействия. Слабого — потому что сила этого взаимодействия заметно слабее, чем электромагнитные силы. Но оказалось, что теория слабого взаимодействия, которая первоначально существовала и очень хорошо описывала все распады, плохо работала при повышении энергии, и она была заменена на новую теорию слабого взаимодействия, которая оказалась совершенно универсальной и построенной на том же принципе, на каком построены все остальные взаимодействия.

В современном мире есть четыре фундаментальных взаимодействия, про пятое я еще тоже скажу.

Четыре фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное — строятся на одном принципе.

Этот принцип состоит в том, что сила между частицами возникает за счет обмена некоторым посредником, переносчиком взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие строится на основе обмена квантом света или квантом электромагнитных волн — это фотон. Фотон — это безмассовая частица, ею обмениваются заряженные частицы, и за счет этого обмена возникают взаимодействия между частицами, сила между частицами, закон Кулона тоже так описывается.

Другое взаимодействие — сильное. Там тоже есть посредник, частица, которой обмениваются кварки. Эти частицы называются глюонами, их восемь штук, это тоже безмассовые частицы.

Третья частица, третье взаимодействие — это слабое взаимодействие, и здесь тоже посредником выступают частицы, которые называются промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, — их штуки, — массивны, то есть довольно тяжелые. Этой массой, тяжестью этих частиц и объясняется, почему слабое взаимодействие такое слабое.

Четвертое взаимодействие — гравитационное, и оно осуществляется путем обмена квантом гравитационного поля, его называют гравитон. Гравитон пока экспериментально не обнаружен, квантовую гравитацию мы пока не вполне ощущаем и не вполне умеем описывать.

Все взаимодействия — это акт обмена некоторыми частицами. Здесь мы возвращаемся к понятию симметрии. Всякое взаимодействие связано с симметрией. Симметрия говорит о том, сколько таких частиц и какова у них масса. Если симметрия точная — масса нулевая. У фотона масса 0, у глюона масса 0. Если симметрия нарушена — масса ненулевая. У промежуточных векторных бозонов масса ненулевая, там симметрия нарушена. Гравитационная симметрия не нарушена — у гравитона тоже масса 0.

Эти четыре фундаментальных взаимодействия объясняют все, что мы видим. Все остальные силы — это вторичный эффект этих взаимодействий. Но в 2012 году была обнаружена новая частица, которая стала очень знаменитой, — это так называемый хиггсовский бозон. Хиггсовский бозон тоже является переносчиком взаимодействия между кварками и между лептонами. Поэтому сейчас уместно говорить о том, что появилась пятая сила, переносчиком которой является хиггсовский бозон. Здесь тоже симметрия нарушена — хиггсовский бозон является массивной частицей. Тем самым число фундаментальных взаимодействий — в физике частиц обычно употребляется слово не «сила», а «взаимодействие» — достигло пяти.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *