Физика — вспомнить всё. Понятия и определения. Законы силы, формулы

Сила как векторная величина характеризуется модулем , направлением и «точкой» приложения силы. Последним параметром понятие о силе, как векторе в физике, отличается от понятия о векторе в векторной алгебре, где равные по модулю и направлению векторы, независимо от точки их приложения, считаются одним и тем же вектором. В физике эти векторы называются свободными векторами.В механике чрезвычайно распространено представление о связанных векторах, начало которых закреплено в определённой точке пространства или же может находиться на линии, продолжающей направление вектора (скользящие векторы). .

Также используется понятие линия действия силы , обозначающее проходящую через точку приложения силы прямую, по которой направлена сила.

Размерность силы - LMT −2 , единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является ньютон (N, Н), в системе СГС - дина .

История понятия

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 .

Ньютоновская механика

Исаак Ньютон задался целью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это, он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общим законам сохранения . В г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд « », в котором изложил три основополагающих закона классической механики (знаменитые законы Ньютона).

Первый закон Ньютона

Например, законы механики абсолютно одинаково выполняются в кузове грузовика, когда тот едет по прямому участку дороги с постоянной скоростью и когда стоит на месте. Человек может подбросить мячик вертикально вверх и поймать его через некоторое время на том же самом месте вне зависимости от того движется ли грузовик равномерно и прямолинейно или покоится. Для него мячик летит по прямой. Однако для стороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория движения мячика имеет вид параболы . Это связано с тем, что мячик относительно земли движется во время полета не только вертикально, но и горизонтально по инерции в сторону движения грузовика. Для человека, находящегося в кузове грузовика не имеет значения движется ли последний по дороге, или окружающий мир перемещается с постоянной скоростью в противоположном направлении, а грузовик стоит на месте. Таким образом, состояние покоя и равномерного прямолинейного движения физически неотличимы друг от друга.

Второй закон Ньютона

По определению импульса:

где − масса, − скорость .

Если масса материальной точки остается неизменной, то производная по времени от массы равна нулю, и уравнение принимает вид:

Третий закон Ньютона

Для любых двух тел (назовем их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона утверждает, что 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. Математически закон записывается так:

Этот закон означает, что силы всегда возникают парами «действие-противодействие». Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел равна нулю:

Это означает, что в замкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (то есть той, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением . Отдельные части системы могут ускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако в том случае, если внешние силы подействуют на систему, то ее центр масс начнет двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы.

Фундаментальные взаимодействия

Все силы в природе основаны на четырех типах фундаментальных взаимодействий. Максимальная скорость распространения всех видов взаимодействия равна скорости света в вакууме . 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), а не единицах силы , и потому применение к ним термина «сила» объясняется берущей из античности традицией объяснять любые явления в окружаемом мире действием специфических для каждого явления «сил».

Понятие силы не может быть применено по отношению к явлениям субатомного мира. Это понятие из арсенала классической физики, ассоциирующейся (пусть даже только подсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих на расстоянии. В субатомной физике таких сил уже нет: их заменяют взаимодействия между частицами, происходящими через посредство полей, то есть каких-то других частиц. Поэтому физики высоких энергий избегают употреблять слово сила , заменяя его словом взаимодействие .

Каждый вид взаимодействия обусловлен обменом соответствующих переносчиков взаимодействия: гравитационное − обменом гравитонов (существование не подтверждено экспериментально), электромагнитное − виртуальных фотонов , слабое − векторных бозонов , сильное − глюонов (и на больших расстояниях - мезонов). В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия объединены в более фундаментальное электрослабое взаимодействие . Делаются попытки объединения всех четырех фундаментальных взаимодействие в одно (так называемая теория великого объединения).

Всё многообразие проявляющих себя в природе сил в принципе может быть сведено к этим четырем фундаментальным взаимодействиям. Например, трение − это проявление электромагнитных сил, действующих между атомами двух соприкасающихся поверхностей, и принципа запрета Паули , который не позволяет атомам проникать в область друг друга. Сила, возникающая при деформации пружины , описываемая законом Гука , также является результатом действия электромагнитных сил между частицами и принципа запрета Паули, заставляющих атомы кристаллической решетки вещества удерживаться около положения равновесия. .

Однако на практике оказывается не только нецелесообразной, но и просто невозможной по условиям задачи подобная детализация рассмотрения вопроса о действии сил.

Гравитация

Гравитация (сила тяготения ) - универсальное взаимодействие между любыми видами материи . В рамках классической механики описывается законом всемирного тяготения , сформулированным Исааком Ньютоном в его труде «Математические начала натуральной философии ». Ньютон получил величину ускорения, с которым Луна движется вокруг Земли , положив при расчете, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им же было установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим, пропорционально произведению масс этих тел . На основании этих двух выводов был сформулирован закон тяготения: любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой , прямо пропорциональной произведению масс ( и ) и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Здесь − гравитационная постоянная , значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш . Используя данный закон, можно получить формулы для расчета силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел. Однако, в ее основе лежит концепция дальнодействия , противоречащая теории относительности . Поэтому классическая теория тяготения неприменима для описания движения тел, перемещающихся со скоростью , близкой к скорости света, гравитационных полей чрезвычайно массивных объектов (например, черных дыр), а также переменных полей тяготения, создаваемых движущимися телами, на больших расстояниях от них .

Электромагнитное взаимодействие

Электростатическое поле (поле неподвижных зарядов)

Развитие физики после Ньютона добавило к трём основным (длина, масса, время) величинам электрический заряд с размерностью C. Однако, исходя из требований практики, основанных на удобствах измерения, вместо заряда нередко стал использоваться электрический ток с размерностью I, причём I = C T − 1 . Единицей измерения величины заряда является кулон, а силы тока ампер.

Поскольку заряд, как таковой, не существует независимо от несущего его тела, то электрическое взаимодействие тел проявляется в виде той же рассматриваемой в механике силы, служащей причиной ускорения. Применительно к электростатическому взаимодействию двух «точечных зарядов» в вакууме используется закон Кулона:

где - расстояние между зарядами, а ε 0 ≈ 8.854187817·10 −12 Ф/м. В однородном (изотропном) веществе в этой системе сила взаимодействия уменьшается в ε раз, где ε - диэлектрическая постоянная среды.

Направление силы совпадает с линией, соединяющей точечные заряды. Графически электростатическое поле принято изображать в виде картины силовых линий, представляющих собой воображаемые траектории, по которым бы перемещалась лишённая массы заряжённая частица. Эти линии начинаются на одном и заканчиваются на другом зарядах.

Электромагнитное поле (поле постоянных токов)

Существование магнитного поля признавалось ещё в средние века китайцами, использовавшим «любящий камень» - магнит, в качестве прообраза магнитного компаса. Графически магнитное поле принято изображать в виде замкнутых силовых линий, густота которых (так же, как и в случае электростатического поля) определяет его интенсивность. Исторически наглядным способом визуализации магнитного поля были железные опилки, насыпаемые, например, на лист бумаги, положенный на магнит.

Производные виды сил

Сила упругости - сила, возникающая при деформации тела и противодействующая этой деформации. В случае упругих деформаций является потенциальной. Сила упругости имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Сила упругости направлена противоположно смещению, перпендикулярно поверхности. Вектор силы противоположен направлению смещения молекул.

Сила трения - сила, возникающая при относительном движении твёрдых тел и противодействующая этому движению. Относится к диссипативным силам. Сила трения имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы трения направлен противоположно вектору скорости.

Сила сопротивления среды - сила, возникающая при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде. Относится к диссипативным силам. Сила сопротивления имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы сопротивления направлен противоположно вектору скорости.

Сила нормальной реакции опоры - сила упругости, действующая со стороны опоры на тело. Направлена перпендикулярно к поверхности опоры.

Силы поверхностного натяжения - силы, возникающие на поверхности фазового раздела. Имеет электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Сила натяжения направлена по касательной к поверхности раздела фаз; возникает вследствие нескомпенсированного притяжения молекул, находящихся на границе раздела фаз, молекулами, находящимися не на границе раздела фаз.

Осмотическое давление

Силы Ван-дер-Ваальса - электромагнитные межмолекулярные силы, возникающие при поляризации молекул и образовании диполей. Ван-дер-Ваальсовы силы быстро убывают с увеличением расстояния.

Сила инерции - фиктивная сила, вводимая в неинерциальных системах отсчёта для того, чтобы в них выполнялся второй закон Ньютона. В частности, в системе отсчёта , связанной с равноускоренно движущимся телом сила инерции направлена противоположно ускорению. Из полной силы инерции могут быть для удобства выделены центробежная сила и сила Кориолиса .

Равнодействующая

При расчёте ускорения тела все действующие на него силы заменяют одной силой, называемой равнодействующей. Это геометрическая сумма всех сил, действующих на тело. При этом действие каждой силы не зависит от действия других, то есть каждая сила сообщает телу такое ускорение, какое она сообщила бы в отсутствие действия других сил. Это утверждение носит название принципа независимости действия сил (принцип суперпозиции).

См. также

Источники

• Григорьев В. И., Мякишев Г. Я. - «Силы в природе»
• Ландау, Л. Д. , Лифшиц, Е. М. Механика - Издание 5-е, стереотипное. - М .: Физматлит , 2004. - 224 с. - («Теоретическая физика» , том I). - .

Примечания

1. Glossary . Earth Observatory . NASA . - «Сила - любой внешний фактор, который вызывает изменение в движении свободного тела или возникновение внутренних напряжений в зафиксированном теле.» (англ.)
2. Бронштейн И. Н. Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Издательство «Наука» Редакция справочной физико-математической литературы.1964.
3. Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, M. Lectures on Physics, Vol 1 - Addison-Wesley, 1963. (англ.)

В физике очень часто используется понятие «сила»: сила тяготения, сила отталкивания, электромагнитная сила и т. д. Складывается обманчивое впечатление, что сила — это нечто, влияющее на объекты, и существующее само по себе.

Откуда же на самом деле берутся силы, и что это такое вообще?

Давайте рассмотрим это понятие на примере звука. Когда мы поём, мы можем варьировать силу издаваемого звука, т.е. громкость. Для этого мы увеличиваем скорость выдоха и сужаем пространство между голосовыми связками. Что при этом происходит? Увеличивается скорость изменения состояния голосовых связок. Голоса делят на низкие и высокие. А чем они отличаются друг от друга? Голос кажется низким, когда скорость изменения постепенно уменьшается, а высоким — когда наоборот увеличивается к концу выдоха.

По этому же принципу устроены все музыкальные инструменты. Все они позволяют варьировать соотношения инструмента таким образом, чтобы изменять скорость и направление его изменения, или же сочетать звуки с разными параметрами, как в струнных.

В любой природной системе происходят постоянные изменения состояния. Энергия, сила ассоциируются у нас с высокой скоростью изменения состояния, а покой, статичность — с низкой энергией, но высокой гравитацией.

Понятие силы необходимо нам в том случае, когда мы рассматриваем влияние одних объектов на другие. Но если мы рассматриваем систему в целом, то вместо силы мы говорим о скорости изменения состояния системы. Но что является причиной изменения скорости?

Любая система представляет собой колебательный процесс. Обычно, когда мы говорим о колебании, мы представляем себе изменение одной величины в пределах какого-то диапазона. Например, колебание гитарной струны — это её колебание вокруг центральной оси. Но это происходит лишь потому, что концы струны строго закреплены, что ограничивает её в пространстве.

Если же мы говорим о природной системе, то колебание в ней — это всегда изменение как минимум двух параметров. При этом физические параметры взаимосвязаны друг с другом таким образом, что увеличение одного ведет к уменьшению другого. Например, уменьшение давления ведет к увеличению объема, максимум электрического поля соответствует минимуму магнитного. Такая обратная циклическая связь способствует колебанию системы в рамках определенного значения, которое можно считать константой скорости.

Именно благодаря этой константе, мы всегда чувствуем то направление, которое есть в системе. Например, по короткому отрезку музыкального произведения мы чувствуем, каким будет её дальнейшее звучание. Мы можем уловить логику дальнейшего развития. С точки зрения математики это означает вычислить дифференциал — скорость и направление изменения системы в данный момент времени. Этим музыка и отличается от простого шума.

И тот факт, что это возможно, говорит о том, что мир в целом представляет собой единую систему, где все процессы связаны друг с другом. И все изменения скоростей в нем предсказуемы и логично взаимосвязаны.

> Сила

Описание силы в физике: термин и определение, законы силы, измерение единиц в Ньютонах, второй закон Ньютона и формула, схема воздействия силы объекта.

Сила – любое воздействие, приводящее к изменению объекта в движении, направлении или геометрической конструкции.

Задача обучения

• Создать соотношение между массой и ускорением.

Основные пункты

• Сила выступает векторным понятием, обладающим величиной и направлением. Это касается также массы и ускорения.
• Если говорить проще, то сила выступает толчком или тягой, которую можно определить различными стандартами.
• Динамика – изучение силы, заставляющей объекты или системы перемещаться и деформироваться.
• Внешние силы – любые внешние воздействия, влияющие на тело, а внутренние – действуют изнутри.

Термины

• Векторная скорость – скорость изменения положения по времени и направлении.
• Сила – любое воздействие, приводящее к изменению объекта в движении, направлении или геометрической конструкции.
• Вектор – направленное количество, характеризующееся величиной и направлением (между двумя точками).

Пример

Чтобы изучить стандарты силы в физике, причины и результаты, используйте две резиновых ленты. Повесьте одну на крючок в вертикальном положении. Найдите небольшой предмет и прикрепите к свисающему концу. Измерьте полученное растяжение с различными предметами. Какая связь между количеством подвешенных предметов и длиной растяжки? Что будет с приклеенным весом, если сдвинуть ленту карандашом?

Обзор сил

В физике в качестве силы выступает любое явление, заставляющее объект проходить через изменения в движении, направлении или геометрической конструкции. Измеряется в Ньютонах. Сила – то, из-за чего объект с массой меняет свою скорость или деформируется. Силу также описывают интуитивными понятиями, вроде «толчок» или «выталкивание». Обладает величиной и направлением (векторная).

Характеристики

Второй закон Ньютона говорит, что чистая сила, влияющая на объект, равна скорости, с которой меняется ее импульс. Также ускорение объекта прямо пропорционально влияющей на него силе и находится в направлении чистой силы и обратно пропорционально массе.

Не забывайте, что сила выступает векторной величиной. Вектор – одномерный массив с величиной и направлением. В нем присутствует масса и ускорение:

С силой также связаны тяга (увеличивает скорость объекта), торможение (уменьшает скорость) и вращательный момент (меняет скорость). Силы, которые не задействованы равномерно во всех частях объекта, также приводят к механическому напряжению (деформируют материю). Если в твердом объекте оно постепенно деформирует его, то в жидкости меняет давление и объем.

Динамика

Это изучение сил, приводящих объекты и системы в движение. Мы понимаем силу как определенный толчок или тягу. Они обладают величиной и направлением. На рисунке вы можете рассмотреть несколько примеров применения силы. Сверху слева – роликовая система. Сила, которую нужно применить к кабелю, должна равняться и превышать силу, создаваемую массой, объектами или эффектами силы тяжести. Сверху справа показано, что любой объект, расположенный на поверхности, будет влиять на нее. Внизу – притяжение магнитов.

христ.) – один из «девяти чинов ангельских». По классификации Псевдо-Дионисия Ареопагита – пятый чин, вместе с господствами и властями составляющий вторую триаду.

Отличное определение

Неполное определение ↓

СИЛА

немеханическая, метафизическая). Полихроносная ориентация скрытой поглощенности, являющейся комплементарной к какой-либо структуре, к самой этой структуре. Для субъективного сознания С. может предстоять только как виртуальность. В объективном также нет никаких сил. С. - всегда симптом среза или разреза существования, изменения характера вычленения части из целого.

Таким образом, комплекс сила-время-движение-структура - всегда данность недополненности по проницаемости, неохватимости целого, на границе части и ей дополнительного. Однако именно С. по своему значению является наибольшим понятийным суррогатом. Она оказывается локально здесь-теперь представляемой проекцией множественности факторов.

Субъект ощущает не те или иные внутренние психические силы, но даже в самом крайнем или экстремальном случае - только давления "сил". Утилизация этих давлений в виде актов и аффектов также оставляет любые пред-полагаемые новые силы скрытыми.

Мы вполне можем перейти от обычных феноменов к микрофеноменам, реальным, но лежащих вне обычных обыденных и научных кажимостей, однако переход к какой-либо микромоторике, микрокинестичности невозможен.

Тривиальное определение силы как меры воздействия эвристически неприемлемо. Все то, что связано с энергией, предстает как прорыв недобытия через ту или иную систему запретов, определяемую структурами конкретней данности. При этом сам прорыв канализируется определенным образом. Вопрос осложняется тем, что структуры не могут существовать ни в каком качестве, если заведомо не являются уже данной оформленностью энергетического прорыва. В некое гипотетическое абсолютное мгновение никаких структур нет - они временные порождения, а за

гранью циклов - инертные повторы.

Отличное определение

Неполное определение ↓