Силы в природе Фундаментальные взаимодействия в физике

Силы в природе

Фундаментальные взаимодействия в физике. Взаимодействие и движение – важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно её существование. Взаимодействие приводит к изменению состояния движения материальных объектов, обусловливает объединение этих объектов в системы, т. е. системную организацию материи. Многие свойства материальных объектов производны от структурных связей и взаимодействий внутри объекта, а также от его взаимодействий с внешней средой. В механике Ньютона количественной мерой взаимодействия тел является сила, более общая характеристика взаимодействий – потенциальная энергия. Первоначально в физике считалось, что передача взаимодействия может осуществляться мгновенно через пустое пространство, которое не принимает участия во взаимодействии. В этом заключалась так называемая концепция дальнодействия. После открытия и Вид взаимодействия Относительная интенсивность Радиус действия, м исследования электромагнитного поля утвердилась концепция близкодействия, согласно которой взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределённых в пространстве; скорость передачи взаимодействия равна Гравитационное 1 ∞ скорости света и не может превышать её. Слабое 1032 10 -17 Сильное 1038 10 -15 После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии сильно изменилось. Выяснилось, что любое поле имеет дискретную структуру, причём в силу Электромагнитное 1036 ∞ корпускулярно-волнового дуализма материи каждому полю соответствуют определённые частицы – кванты данного поля и данного вида взаимодействий.

Несмотря на разнообразие физических воздействий тел друг на друга, в природе к настоящему времени известны четыре вида фундаментальных взаимодействий: Гравитационное взаимодействие (тяготение) характерно для всех материальных объектов независимо от их природы, поскольку все тела создают гравитационное поле. Гравитационные силы не играют существенной роли в микропроцессах, однако в космических масштабах являются определяющими. Наиболее общей теорией тяготения является общая теория относительности Эйнштейна. В настоящее время предполагается, что существуют кванты гравитационного взаимодействия – гравитоны, однако экспериментальн они пока не обнаружены. Электромагнитное взаимодействие связано с электромагнитным полем, которое либо излучается и поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Значение данного взаимодействия можно оценить, например, по тому, что посредством его осуществляется связь электронов и ядер в атомах и молекулах, и оно определяет (на основе законов квантовой механики) устойчивость таких микросистем. Сильное взаимодействие обеспечивает прочную связь нуклонов в ядрах атомов и в стабильном веществе при не слишком высокой температуре не вызывает никаких процессов Однако при столкновениях ядер или нуклонов, обладающих высокой энергией, сильные взаимодействия приводят к многочисленным ядерным реакциям. Данные взаимодействия являются короткодействующими, их радиус действия имеет порядок размера атомного ядра Слабое взаимодействие присуще элементарным частицам и играет чрезвычайно важную роль в природе, т. к. обеспечивает протекание внутриядерных процессов, а также процессов взаимных превращений элементарных частиц. Слабые взаимодействия являются ещё более короткодействующими, чем сильные, так что их радиус действия до сих пор не измерен.

Для сравнения интенсивности перечисленных взаимодействий используют понятие радиуса действия и относительной интенсивности (при прочих равных условиях): Вид взаимодействия Относительная интенсивность Радиус действия, м Гравитационное 1 ∞ Слабое 1032 10 -17 Электромагнитное 1036 ∞ Сильное 1038 10 -15

Вес и невесомость • Силу тяжести с которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни. • 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. Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе. Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной.

Из приведенных выше соотношений видно, что вес тела равен силе тяжести Но эти силы приложены к разным телам!

• Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре (или подвешено на пружине) в кабине лифта, движущейся с некоторым ускорением относительно Земли. Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. На тело по-прежнему действуют сила тяжести и сила реакции опоры, но теперь эти силы не уравновешивают друга.

Вес и невесомость • По второму закону Ньютона • Сила, действующая на опору со стороны тела, которую и называют весом тела, по третьему закону Ньютона равна • Следовательно, вес тела в ускоренно движущемся лифте есть

Вес и невесомость Вес тела в ускоренно движущемся лифте. Вектор ускорения направлен вертикально вниз. 1) a < g, P < mg; 2) a = g, P = 0 (невесомость); 3) a > g, P < 0 Если вектор ускорения направлен вертикально вверх (рис. 1. 11. 3), то a < 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой.

Сила упругости. Закон Гука • При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Эта сила возникает вследствие электромагнитноговзаимодействия между атомами и молекулами вещества. Ее называют силой упругости. • Простейшим видом деформации являются деформации растяжения и сжатия Внешняя сила

Сила упругости. Закон Гука • При малых деформациях (|x| << l) сила упругости пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации: • Fx = Fупр = –kx • Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука. Коэффициент 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. Условие равновесия тела:

Сила трения • Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Силы трения, как и упругие силы, 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 всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону

Сила трения покоя (υ = 0).

Сила трения • Сила трения покоя не может превышать некоторого максимального значения (Fтр)max. Если внешняя сила больше (Fтр)max, возникает относительное проскальзывание. Силу трения в этом случае называют силой трения скольжения. Она всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения и, вообще говоря, зависит от относительной скорости тел. Однако, во многих случаях приближенно силу трения скольжения можно считать независящей от величины относительной скорости тел и равной максимальной силе трения покоя. Fтр = (Fтр)max = μN Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения

Сила трения

Сила трения • 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.

Гидростатика • Французский ученый Б. Паскаль в середине XVII века эмпирически установил закон, названный законом Паскаля: • Давление в жидкости или газе передается во всех направлениях одинаково и не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует. В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м 2. Часто используются внесистемные единицы: нормальная атмосфера (атм) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст. ): 1 атм = 101325 Па = 760 мм рт. ст.

Гидростатика Давление жидкости на дно или боковые стенки сосуда зависит от высоты столба жидкости. Сила давления на дно цилиндрического сосуда высоты h и площади основания S равна весу столба жидкости mg, где m = ρgh. S – масса жидкости в сосуде, ρ – плотность жидкости. Такое же давление на глубине h в соответствии с законом Паскаля жидкость оказывает и на боковые стенки сосуда. Давление столба жидкости ρgh называют гидростатическим давлением.

Сила Архимеда • Архимедова сила, действующая на погруженное в жидкость (или газ) тело, равна весу жидкости (или газа), вытесненной телом. Это утверждение, называемое законом Архимеда, справедливо для тел любой формы. • Архимедова сила. • FА = F 2 – F 1 • F 1 = p 1 S, F 2 = p 2 S • FА = S(p 2 – p 1) = ρg. Sh= ρVg,

Динамика твердого тела • Для кинематического описания вращения твердого тела удобно использовать угловые величины: угловое перемещение Δφ, угловую скорость ω • и угловое ускорение ε

• Физическая величина зависит от распределения масс вращающегося тела относительно оси вращения. Она называется моментом инерции I тела относительно данной оси:

кинетическую энергию твердого тела, • вращающегося относительно неподвижной оси, можно представить в виде • Момент инерции в динамике вращательного движения играет ту же роль, что и масса тела в динамике поступательного движения. Но есть и принципиальная разница. Если масса – внутреннее свойство данного тела, не зависящее от его движения, то момент инерции тела зависит от того, вокруг какой оси оно вращается. Для разных осей вращения моменты инерции одного и того же тела различны.

Моментом силы вращающегося тела относительно оси называют физическую величину, равную произведению силы на ее плечо. Момент импульса обозначается буквой М М = Fl Моментом импульса вращающегося тела называют физическую величину, равную произведению момента инерции тела I на угловую скорость ω его вращения. Момент импульса обозначается буквой L: L = Iω.

основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела • или M=Iε