Сила як векторна величина характеризується модулем , напрямомі «точкою» програмисили. Останнім параметром поняття про силу, як вектор у фізиці, відрізняється від поняття про вектор у векторній алгебрі, де рівні за модулем і напрямом вектори, незалежно від точки їх застосування, вважаються тим самим вектором. У фізиці ці вектори називаються вільними векторами. У механіці надзвичайно поширене уявлення про пов'язані вектори, початок яких закріплено в певній точці простору або може знаходитися на лінії, що продовжує напрям вектора (ковзаючі вектори). .

Також використовується поняття лінія дії сили, Що позначає пряму, що проходить через точку докладання сили, по якій спрямована сила.

Розмірність сили - LMT −2 , одиницею виміру у Міжнародній системі одиниць (СІ) є ньютон (N, Н), у системі СГС - діна .

Історія поняття

Поняття сили використовували ще вчені античності у своїх роботах про статику та рух. Вивченням сил у процесі конструювання простих механізмів займався у ІІІ ст. до зв. е. Архімед. Уявлення Аристотеля про силу, пов'язані з фундаментальними невідповідностями, проіснували протягом кількох століть. Ці невідповідності усунув у XVII ст. Ісаак Ньютон , використовуючи для опису сили математичні методи. Механіка Ньютона залишалася загальноприйнятою майже триста років. На початку XX в. Альберт Ейнштейн у теорії відносності показав, що ньютонівська механіка вірна лише в при порівняно невеликих швидкостях руху та масах тіл у системі, уточнивши тим самим основні положення кінематики та динаміки та описавши деякі нові властивості простору-часу.

Ньютонівська механіка

Ісаак Ньютон поставив за мету описати рух об'єктів, використовуючи поняття інерції та сили. Зробивши це, він попутно встановив, що будь-який механічний рух підпорядковується загальним законам збереження. У р. Ньютон опублікував свою знамениту працю «В», в якій виклав три основні закони класичної механіки (знамениті закони Ньютона).

Перший закон Ньютона

Наприклад, закони механіки абсолютно однаково виконуються в кузові вантажівки, коли та їде прямою ділянкою дороги з постійною швидкістю і коли стоїть на місці. Людина може підкинути м'ячик вертикально вгору і зловити його через деякий час на тому ж самому місці незалежно від того, чи рухається вантажівка рівномірно і прямолінійно або спочиває. Для нього м'ячик летить по прямій. Однак для стороннього спостерігача, що знаходиться на землі, траєкторія руху м'ячика має вигляд параболи. Це з тим, що м'ячик щодо землі рухається під час польоту як вертикально, а й горизонтально по інерції убік руху вантажівки. Для людини, що знаходиться в кузові вантажівки не має значення чи рухається останній по дорозі, чи навколишній світрухається з постійною швидкістю в протилежному напрямку, а вантажівка стоїть на місці. Таким чином, стан спокою та рівномірного прямолінійного рухуфізично не відрізняються друг від друга.

Другий закон Ньютона

За визначенням імпульсу:

де – маса, – швидкість .

Якщо маса матеріальної точки залишається незмінною, то похідна за часом від маси дорівнює нулю, і рівняння набуває вигляду:

Третій закон Ньютона

Для будь-яких двох тіл (назвемо їх тіло 1 і тіло 2) третій закон Ньютона стверджує, що сила дії тіла 1 на тіло 2 супроводжується появою рівною за модулем, але протилежною за напрямом сили, що діє на тіло 1 з боку тіла 2. Математично закон записується так:

Цей закон означає, що сили завжди виникають парами «дія-протидія». Якщо тіло 1 і тіло 2 знаходяться в одній системі, то сумарна сила в системі, обумовлена ​​взаємодією цих тіл, дорівнює нулю:

Це означає, що у замкнутій системі не існує незбалансованих внутрішніх сил. Це призводить до того, що центр мас замкнутої системи(тобто тієї, яку не діють зовнішні сили) неспроможна рухатися з прискоренням . Окремі частини системи можуть прискорюватися, але лише таким чином, що система в цілому залишається у стані спокою або рівномірного прямолінійного руху. Однак у разі, якщо зовнішні сили подіють систему, її центр мас почне рухатися з прискоренням, пропорційним зовнішньої результуючої силі і обернено пропорційним масі системи.

Фундаментальні взаємодії

Усі сили у природі засновані чотирьох типах фундаментальних взаємодій. Максимальна швидкість поширення всіх видів взаємодії дорівнює швидкості світла у вакуумі. Електромагнітні сили діють між електрично зарядженими тілами, гравітаційні між масивними об'єктами. Сильне і слабке виявляються тільки дуже малих відстанях , вони відповідальні виникнення взаємодії між субатомними частинками , включаючи нуклони , у тому числі складаються атомні ядра .

Інтенсивність сильної та слабкої взаємодії вимірюється в одиницях енергії(електрон-вольтах), а не одиницях сили, І тому застосування до них терміна «сила» пояснюється традицією, що бере з античності пояснювати будь-які явища в навколишньому світі дією специфічних для кожного явища «сил».

Поняття сили може бути застосовано стосовно явищ субатомного світу. Це поняття з арсеналу класичної фізики, що асоціюється (хай навіть підсвідомо) з ньютонівськими уявленнями про сили, що діють на відстані. У субатомній фізиці таких сил уже немає: їх замінюють взаємодії між частинками, що відбуваються через посеред полів, тобто якихось інших частинок. Тому фізики високих енергій уникають вживати слово силазамінюючи його словом взаємодія.

Кожен вид взаємодії обумовлений обміном відповідних переносників взаємодії: гравітаційне – обміном гравітонів (існування не підтверджено експериментально), електромагнітне – віртуальних фотонів, слабке – векторних бозонів, сильне – глюонів (і на великих відстанях – мезонів). В даний час електромагнітна і слабка взаємодії об'єднані в більш фундаментальну електрослабку взаємодію. Робляться спроби поєднання всіх чотирьох фундаментальних взаємодій в одне (так звана теорія великого об'єднання).

Все різноманіття сил, що виявляють себе в природі, в принципі може бути зведено до цих чотирьох фундаментальних взаємодій. Наприклад, тертя - це прояв електромагнітних сил, що діють між атомами двох поверхонь, що стикаються, і принципу заборони Паулі, який не дозволяє атомам проникати в область один одного. Сила, що виникає при деформації пружини , що описується законом Гука , також є результатом дії електромагнітних сил між частинками і принципу заборони Паулі, що змушують атоми кристалічних ґрат речовини утримуватися біля положення рівноваги. .

Однак на практиці виявляється не лише недоцільною, а й просто неможливою за умов завдання подібна деталізація розгляду питання про дію сил.

Гравітація

Гравітація ( сила тяжіння) - універсальна взаємодія між будь-якими видами матерії. У рамках класичної механіки описується законом всесвітнього тяжіння, сформульованим Ісааком Ньютоном у його праці «Математичні засади натуральної філософії». Ньютон отримав величину прискорення, з яким Місяць рухається навколо Землі, поклавши при розрахунку, що сила тяжіння зменшується пропорційно квадрату відстані від тіла, що тяжіє. Крім цього, їм було встановлено, що прискорення, обумовлене тяжінням одного тіла іншим, пропорційне добутку мас цих тіл. На підставі цих двох висновків був сформульований закон тяжіння: будь-які матеріальні частинки притягуються у напрямку один до одного з силою, прямо пропорційною добутку мас (і) і обернено пропорційною квадрату відстані між ними:

Тут – гравітаційна постійна, значення якої вперше набув у своїх дослідах Генрі Кавендіш. Використовуючи цей закон, можна отримати формули для розрахунку сили тяжіння тіл довільної форми. Теорія тяжіння Ньютона добре описує рух планет Сонячної системи та багатьох інших небесних тіл. Однак, в її основі лежить концепція далекодії, що суперечить теорії відносності. Тому класична теоріятяжіння не застосовується для опису руху тіл, що переміщуються зі швидкістю , близької до швидкості світла, гравітаційних полів надзвичайно масивних об'єктів (наприклад, чорних дірок), а також змінних полів тяжіння, створюваних тілами, що рухаються, на великих відстанях від них .

Електромагнітна взаємодія

Електростатичне поле (поле нерухомих зарядів)

Розвиток фізики після Ньютона додало до трьох основних (довжина, маса, час) величин електричний заряд з розмірністю C. Однак, виходячи з вимог практики, заснованих на зручності вимірювання, замість заряду нерідко став використовуватись електричний струм з розмірністю I, причому I = CT − 1 . Одиницею виміру величини заряду є кулон, а сили струму ампер.

Оскільки заряд, як такий, не існує незалежно від тіла, що несе його, то електрична взаємодія тіл проявляється у вигляді тієї ж розглянутої в механіці сили, що служить причиною прискорення. Стосовно електростатичної взаємодії двох «точкових зарядів» у вакуумі використовується закон Кулона:

де - відстань між зарядами, а ε 0 ≈ 8.854187817 · 10 -12 Ф/м. В однорідній (ізотропній) речовині в цій системі сила взаємодії зменшується в ε разів, де ε - діелектричне постійне середовище.

Напрямок сили збігається з лінією, що з'єднує точкові заряди. Графічно електростатичне поле прийнято зображати у вигляді картини силових ліній, що являють собою уявні траєкторії, якими переміщалася б позбавлена ​​маси заряджена частка. Ці лінії починаються однією і закінчуються іншому зарядах.

Електромагнітне поле (поле постійних струмів)

Існування магнітного поля визнавалося ще в середні віки китайцями, які використовували люблячий камінь» - Магніт, як прообраз магнітного компасу. Графічно магнітне поле прийнято зображати як замкнутих силових ліній, густота яких (як і, як і разі електростатичного поля) визначає його інтенсивність. Історично наочним способом візуалізації магнітного поля була залізна тирса, насипані, наприклад, на аркуш паперу, покладений на магніт.

Похідні види сил

Сила пружності- сила, що виникає при деформації тіла та протидіє цій деформації. Що стосується пружних деформацій є потенційної. Сила пружності має електромагнітну природу, будучи макроскопічним проявом міжмолекулярної взаємодії. Сила пружності спрямована протилежно до зміщення, перпендикулярно поверхні. Вектор сили протилежний напрямку зміщення молекул.

Сила тертя- сила, що виникає за відносного руху твердих тіл і протидіє цьому руху. Належить до дисипативних сил. Сила тертя має електромагнітну природу, будучи макроскопічним проявом міжмолекулярної взаємодії. Вектор сили тертя спрямований протилежно до вектора швидкості.

Сила опору середовища- сила, що виникає під час руху твердого тілау рідкому чи газоподібному середовищі. Належить до дисипативних сил. Сила опору має електромагнітну природу, будучи макроскопічним проявом міжмолекулярної взаємодії. Вектор сили опору спрямований протилежно до вектора швидкості.

Сила нормальної реакції опори- Сила пружності, що діє з боку опори на тіло. Спрямована перпендикулярно до поверхні опори.

Сили поверхневого натягу- Сили, що виникають на поверхні фазового розділу. Має електромагнітну природу, будучи макроскопічним проявом міжмолекулярної взаємодії. Сила натягу спрямована по дотичній поверхні розділу фаз; виникає внаслідок нескомпенсованого тяжіння молекул, що є на межі поділу фаз, молекулами, що знаходяться не на межі поділу фаз.

Осмотичний тиск

Сили Ван-дер-Ваальса- електромагнітні міжмолекулярні сили, що виникають при поляризації молекул та утворенні диполів. Ван-дер-Ваальсові сили швидко зменшуються зі збільшенням відстані.

Сила інерції- фіктивна сила, що вводиться в неінерційних системах відліку для того, щоб у них виконувався другий закон Ньютона. Зокрема, в системі відліку , пов'язаної з тілом, що рівноприскорено рухається, сила інерції спрямована протилежно прискоренню. З повної сили інерції можуть бути для зручності виділені відцентрова сила та сила Коріоліса.

Рівнодійна

При розрахунку прискорення тіла всі сили, що діють на нього, замінюють однією силою, яка називається рівнодією. Це геометрична сума всіх сил, які діють тіло. При цьому дія кожної сили не залежить від дії інших, тобто кожна сила повідомляє тілу таке прискорення, яке вона повідомила б за відсутності дії інших сил. Це твердження має назву принципу незалежності дії сил (принцип суперпозиції).

також

Джерела

• Григор'єв В. І., Мякішев Г. Я. - «Сили в природі»
• Ландау, Л. Д., Ліфшиц, Е. М.Механіка - Видання 5-те, стереотипне. – М.: Фізматліт, 2004. – 224 с. - («Теоретична фізика», тому I). - .

Примітки

1. Glossary. Earth Observatory. NASA. - «Сила – будь-який зовнішній фактор, який викликає зміну руху вільного тіла або виникнення внутрішніх напруг у зафіксованому тілі.»(англ.)
2. Бронштейн І. Н. Семендяєв К. А. Довідник з математики. М.: Видавництво «Наука» Редакція довідкової фізико-математичної литературы.1964.
3. Feynman, RP, Leighton, RB, Sands, M. Lectures on Physics, Vol 1 - Addison-Wesley, 1963.(англ.)

У фізиці дуже часто використовується поняття «сила»: сила тяжіння, сила відштовхування, електромагнітна сила і т. д. Складається оманливе враження, що сила - це щось, що впливає на об'єкти, що існує саме по собі.

Звідки ж насправді беруться сили і що це таке взагалі?

Давайте розглянемо це поняття з прикладу звуку. Коли ми співаємо, ми можемо варіювати силу звуку, що видається, тобто. гучність. Для цього ми збільшуємо швидкість видиху та звужуємо простір між голосовими зв'язками. Що при цьому відбувається? Збільшується швидкість зміни стану голосових зв'язок. Голоси ділять на низькі та високі. А чим вони відрізняються одна від одної? Голос здається низьким, коли швидкість зміни поступово зменшується, а високим – коли навпаки збільшується до кінця видиху.

За цим же принципом улаштовані всі музичні інструменти. Всі вони дозволяють варіювати співвідношення інструменту таким чином, щоб змінювати швидкість і напрямок його зміни, або поєднувати звуки з різними параметрами, як у струнних.

У будь-якій природній системі відбуваються постійні зміни стану. Енергія, сила асоціюються у нас із високою швидкістю зміни стану, а спокій, статичність — із низькою енергією, але високою гравітацією.

Поняття сили потрібне нам у тому випадку, коли ми розглядаємо вплив одних об'єктів на інші. Але якщо ми розглядаємо систему загалом, то замість сили ми говоримо про швидкість зміни стану системи. Але що причина зміни швидкості?

Будь-яка система є коливальний процес. Зазвичай, коли ми говоримо про коливання, ми уявляємо зміну однієї величини в межах якогось діапазону. Наприклад, коливання гітарної струни — це коливання навколо центральної осі. Але це відбувається лише тому, що кінці струни суворо закріплені, що обмежує їх у просторі.

Якщо ж ми говоримо про природну систему, то коливання в ній - це завжди зміна як мінімум двох параметрів. При цьому фізичні параметри взаємопов'язані один з одним таким чином, що збільшення одного призводить до зменшення іншого. Наприклад, зменшення тиску веде до збільшення обсягу, максимум електричного полявідповідає мінімуму магнітного. Такий зворотний циклічний зв'язок сприяє коливанню системи у межах певного значення, що вважатимуться константою швидкості.

Саме завдяки цій константі ми завжди відчуваємо той напрямок, який є в системі. Наприклад, за коротким відрізком музичного творуми відчуваємо, яким буде її подальше звучання. Ми можемо вловити логіку подальшого розвитку. З точки зору математики це означає обчислити диференціал - швидкість і напрямок зміни системи в даний моментчасу. Цим музика відрізняється від простого шуму.

І той факт, що це можливо, говорить про те, що світ загалом є єдиною системою, де всі процеси пов'язані один з одним. І всі зміни швидкостей у ньому передбачувані та логічно взаємопов'язані.

Існує низка законів, що характеризують фізичні процеси при механічних рухах тіл.

Вирізняють такі основні закони сил у фізиці:

• закон сили тяжіння;
• закон всесвітнього тяжіння;
• закони сили тертя;
• закон сили пружності;
• закони Ньютона.

Закон сили тяжіння

Зауваження 1

Сила тяжіння є одним із випадків прояву дії гравітаційних сил.

Силу тяжкості представляють у вигляді такої сили, що діє на тіло з боку планети та надає йому прискорення вільного падіння.

Вільне падіння можна розглянути у вигляді $mg = G\frac(mM)(r^2)$, звідки отримуємо формулу прискорення вільного падіння:

$ g = G frac (M) (r ^ 2) $.

Формула визначення сили тяжіння виглядатиме так:

$(\overline(F))_g = m\overline(g)$

Сила важкості має певний вектор поширення. Він завжди спрямований вертикально вниз, тобто у напрямку центру планети. На тіло діє сили тяжіння постійно і це означає, що воно вільне падіння.

Траєкторія руху при дії сили тяжіння залежить від:

• модуля початкової швидкості об'єкта;
• напрями швидкості руху тіла

З цим фізичним явищем людина стикається щодня.

Силу тяжкості можна також подати у вигляді формули $P = mg$. При прискоренні вільного падіння враховуються додаткові величини.

Якщо розглядати закон всесвітнього тяжіння, який сформулював Ісаак Ньютон, всі тіла мають певну масу. Вони притягуються один до одного із силою. Її назвуть гравітаційною силою.

$F = G\frac(m_1m_2)(r^2)$

Ця сила прямо пропорційна добутку мас двох тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

$G = 6,7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, де $G$ - це гравітаційна постійна і вона має за міжнародною системою вимірів СІ постійне значення.

Визначення 1

Вагою називають силу, з якою тіло діє поверхню планети після виникнення сили тяжіння.

У випадках, коли тіло перебуває в стані спокою або рівномірно рухається горизонтальною поверхнею, тоді вага дорівнюватиме силі реакції опори і збігатися за значенням з величиною сили тяжіння:

При рівноприскореному русівертикально вага відрізнятиметься від сили тяжіння, виходячи з вектора прискорення. При напрямку вектора прискорення у протилежний бік виникає стан навантаження. У випадках, коли тіло разом з опорою рухаються з прискоренням $а = g$, тоді вага дорівнюватиме нулю. Стан із нульовою вагою називають невагомістю.

Напруженість поля тяжіння вираховується так:

$g = \frac(F)(m)$

Величина $F$ - сила тяжіння, що діє матеріальну точку масою $m$.

Тіло міститься у певну точку поля.

Потенційна енергія гравітаційної взаємодії двох матеріальних точок, що мають маси $m_1$ і $m_2$, повинні знаходитися на відстані $r$ одна від одної.

Потенціал поля тяжіння можна знайти за такою формулою:

$\varphi = \Pi / m$

Тут $П$ - потенційна енергія матеріальної точки з масою $m$. Вона вміщена у певну точку поля.

Закони сили тертя

Примітка 2

Сила тертя виникає під час руху і спрямована проти ковзання тіла.

Статична сила тертя буде пропорційна нормальній реакції. Статична сила тертя не лежить в залежності від форми і розмірів поверхонь, що труться. Від матеріалу тіл, які стикаються та породжують силу тертя, залежить статичний коефіцієнт тертя. Однак закони тертя не можна назвати стабільними та точними, оскільки часто спостерігаються у результатах досліджень різні відхилення.

Традиційне написання сили тертя передбачає використання коефіцієнта тертя ($ eta $), $ N $ - сила нормального тиску.

Також виділяють зовнішнє тертя, силу тертя кочення, силу тертя ковзання, в'язку силу тертя та інші види тертя.

Закон сили пружності

Сила пружності дорівнює жорсткості тіла, яку помножили на величину деформації:

$F = k \cdot \Delta l$

У нашій класичній формулі сили пошуку сили пружності чільне місце займають величини жорсткості тіла ($k$) і деформації тіла ($\Delta l$). Одиницею виміру сили є Ньютон (Н).

Подібна формула може описати найпростіший випадок деформації. Його прийнято називати законом Гука. Він говорить, що при спробі будь-яким доступним способомдеформувати тіло, сила пружності прагнутиме повернути форму об'єкта в первісний вигляд.

Для розуміння та точного процесу опису фізичного явищавводять додаткові поняття. Коефіцієнт пружності показує залежність від:

• властивостей матеріалу;
• розмірів стрижня.

Зокрема, виділяють залежність від розмірів стрижня або площі поперечного перерізу та довжини. Тоді коефіцієнт пружності тіла записують у вигляді:

$k = \frac(ES)(L)$

У такій формулі величина E є модулем пружності першого роду. Також її називають модулем Юнга. Вона відбиває механічні характеристики певного матеріалу.

Під час проведення розрахунків прямих стрижнів застосовується запис закону Гука у відносній формі:

$\Delta l = \frac(FL)(ES)$

Зазначається, що застосування закону Гука матиме ефективний характер лише за відносно невеликих деформацій. Якщо йде перевищення рівня межі пропорційності, то зв'язок між деформаціями та напругами стає нелінійним. Для деяких середовищ закон Гука не можна застосовувати навіть за невеликих деформацій.

1. Закони динаміки Ньютона

закони чи аксіоми руху (у формулюванні самого Ньютона за книжкою «Математичні засади натуральної філософії» 1687 року): «I. Будь-яке тіло продовжує утримуватися у своєму стані спокою або рівномірного та прямолінійного руху, поки і оскільки воно не спонукається докладеними силами змінювати цей стан. ІІ. Зміна кількості руху пропорційно доданої рушійної сили і відбувається за напрямом тієї прямої, якою ця сила діє. ІІІ. Дію завжди є рівна і протилежна протидія, інакше взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні і спрямовані в протилежні сторони ».

2. Що таке сила?

Сила характеризується величиною та напрямком. Сила характеризує дію дане тіло інших тіл. Результат дії сили на тіло залежить не тільки від її величини та напряму, а й від точки докладання сили. Рівнодійна – одна сила, результат дії якої буде таким самим, яким би був результат дії всіх реальних сил. Якщо сили спрямовані, рівнодіюча дорівнює їх сумі і спрямована в той же бік. Якщо ж сили спрямовані у протилежні сторони, то рівнодіюча дорівнює їх різниці і спрямована у бік більшої сили.

Сила тяжкості та вага тіла

Сила тяжіння – це сила, з якою тіло притягується до Землі внаслідок Всесвітнього тяжіння. Всі тіла у Всесвіті притягуються один до одного, причому чим більше їх маси і чим ближче вони розташовані, тим сильніше тяжіння.

Щоб обчислити силу тяжкості, масу тіла слід помножити на коефіцієнт, що позначається буквою g, приблизно рівний 9,8Н/кг. Таким чином, сила тяжіння розраховується за формулою

Вага тіла - це сила, з якою тіло тисне на опору чи розтягує підвіс через тяжіння Землі. Якщо тіло немає ні опори, ні підвісу, тіло немає і ваги – воно перебуває у стані невагомості.

Сила пружності

Сила пружності - це сила, що виникає всередині тіла внаслідок деформації та перешкоджає зміні форми. Залежно від того, як змінюється форма тіла, виділяють кілька видів деформації, зокрема, розтягування та стиск, вигин, зсув та зріз, кручення.

Чим більше змінюють форму тіла, тим більше сила пружності, що виникає в ньому.

Динамометр – прилад для вимірювання сили: вимірювану силу порівнюють із силою пружності, що виникає у пружині динамометра.

Сила тертя

Сила тертя спокою – це сила, яка заважає зрушити тіло з місця.

Причина виникнення тертя в тому, що будь-які поверхні мають нерівності, які зачіплюються одна за одну. Якщо поверхні відшліфовані, то причиною тертя є сили молекулярного взаємодії. Коли тіло рухається горизонтальною поверхнею, сила тертя спрямована проти руху і прямо пропорційна силі тяжіння:

Сила тертя ковзання - це сила опору при ковзанні одного тіла поверхнею іншого. Сила тертя кочення - це сила опору при коченні одного тіла поверхнею іншого; вона значно менше силитертя ковзання.

Якщо тертя корисне, його посилюють; якщо шкідливо – зменшують.

3. ЗАКОНИ ЗБЕРІГАННЯ

ЗАКОНИ ЗБЕРІГАННЯ, фізичні закони, за якими деяка властивість замкнутої системи залишається незмінним за будь-яких змін у системі. Найважливішими є закони збереження речовини та енергії.Закон збереження речовини стверджує, що речовина не створюється та не руйнується; при хімічних перетвореннях загальна маса залишається незмінною. Загальна кількість енергії у системі також залишається незмінною; енергія лише перетворюється з однієї форми на іншу. Обидва ці закони вірні лише приблизно. Маса та енергія можуть перетворюватися одна на іншу відповідно до рівняння Е = тс 2 . Незмінним залишається лише загальна кількість маси та еквівалентної їй енергії. Ще один закон збереження стосується електричного заряду: його також не можна створити та не можна знищити. У застосуванні до ядерних процесів закон збереження виявляється у тому, що загальна величина заряду, спин та інші КВАНТОВІ ЧИСЛА взаємодіючих частинок повинні залишитися такими ж у частинок, що виникли в результаті взаємодії. При сильних взаємодіях усі квантові числазберігаються. При слабких взаємодіях деякі з вимог цього закону порушуються, особливо щодо ЧИТНОСТІ.

Закон збереження енергії можна пояснити на прикладі падіння кулі вагою 1 кг з висоти 100 м. Початкова загальна енергія кулі - це нею потенційна енергія. Коли він падав, погенційна енергія поступово зменшується, а кінетична наростає, але загальна копія енергії залишається незмінною. Таким чином, має місце збереження енергії. А - кінетична енергія зростає від 0 до максимуму: - потенційна енергія зменшується від максимуму до нуля; С - загальна кількість енергії, яка дорівнює сумі кінетичному і потен Закон збереження речовини, стверджує, що в ході хімічних реакцій речовина не створюється і не зникає. Це явище можна продемонструвати за допомогою класичного досвіду, при якому проводиться зважування свічки, що горить під скляним ковпаком (А). Наприкінці досвіду вага ковпака та його вмісту залишився таким самим, яким був на початку, хоча свічка, речовина якої складається в основному з вуглецю та водню, «зникла», оскільки з неї виділилися леткі продукти реакції (вода та вуглекислий газ). Тільки після того, як у кінці XVIIIвчені визнали принцип збереження речовини, став можливим кількісний підхід до хімії.

Механічна роботавідбувається тоді, коли тіло рухається під дією прикладеної до нього сили.

Механічна робота прямо пропорційно пройденому шляху та пропорційна силі:

Потужність

Швидкість виконання роботи у техніці характеризують потужністю.

Потужність дорівнює відношенню роботи до часу, за який вона була здійснена:

Енергіяце фізична величина, Що показує яку роботу може зробити тіло. Енергія вимірюється в джоулях.

При виконанні роботи енергія тіл вимірюється. Досконала робота дорівнює зміні енергії.

Потенційна енергіявизначається взаємним становищем взаємодіючих тіл або частин однієї й тієї тіла.

Е р = F h = gmh.

Де g = 9,8 Н/кг, m – маса тіла (кг), h – висота (м).

Кінетичною енергієюмає тіло внаслідок свого руху. Чим більша маса тіла і швидкість, тим більша його кінетична енергія.

5. основний закон динаміки обертального руху

Момент сили

1. Момент сили щодо осі обертання, (1.1) де проекція силина площину, перпендикулярну осі обертання, плече сили (найкоротша відстань від осі обертання до лінії дії сили).

2. Момент сили щодо нерухомої точки О (початку координат). (1.2) Визначається векторним твором радіуса-вектора, проведеного з точки О в точку докладання сили, на цю силу; - псевдовектор, його напрямок збігається з напрямком поступального руху правого гвинта при його обертанні відк («правило буравчика»). Модуль моменту сили, (1.3) де – кут між векторами, – плече сили, найкоротша відстань між лінією дії сили та точкою докладання сили.

Момент імпульсу

1. Момент імпульсу тіла, що обертає щодо осі , (1.4) де - момент інерції тіла, - кутова швидкість. Момент імпульсу системи є векторна сума моментів імпульсів всіх тіл системи: . (1.5)

2. Момент імпульсу матеріальної точки з імпульсом щодо нерухомої точки (початку координат). (1.6) Визначається векторним твором радіуса-вектора, проведеного з точки Про в матеріальну точку, на вектор імпульсу; - псевдовектор, його напрямок збігається з напрямом поступального руху правого гвинта при його обертанні відк («правило свердловина»). Модуль вектора моменту імпульсу, (1.7) де - кут між векторами, - плече вектора щодо точки О.

Момент інерції щодо осі обертання

1. Момент інерції матеріальної точки, (1.8) де - маса точки, - відстань її від осі обертання.

2. Момент інерції дискретного твердого тіла , (1.9) де елемент маси твердого тіла; відстань цього елемента від осі обертання; число елементів тіла.

3. Момент інерції у разі безперервного розподілу маси (суцільного твердого тіла). (1.10) Якщо тіло однорідне, тобто. його щільність однакова по всьому об'єму, то використовується вираз (1.11), де і обсяг тіла.

1.Сила- Векторна фізична величина, що є мірою інтенсивності впливу на цетіло інших тіл, а такожполів. Додана до масивного тілу сила є причиною зміни йогошвидкості або виникнення в ньомудеформацій та напруг.

Сила як векторна величина характеризується модулем, напрямомі «точкою» програмисили. Останнім параметром поняття про силу, як вектор у фізиці, відрізняється від поняття про вектор в векторній алгебрі, де рівні за модулем і напрямом вектори, незалежно від точки їх застосування, вважаються одним і тим же вектором. У фізиці ці вектори називаються вільними векторами. У механіці надзвичайно поширене уявлення про зв'язані вектори, початок яких закріплено в певній точці простору або може перебувати на лінії, що продовжує напрям вектора (ковзаючі вектори).

Також використовується поняття лінія дії сили, Що позначає пряму, що проходить через точку докладання сили, по якій спрямована сила.

Другий закон Ньютона свідчить, що у інерційних системах відліку прискорення матеріальної точки за напрямом збігається з рівнодіючої всіх сил, прикладених до тіла, а, по модулю прямо пропорційно модулю сили й обернено пропорційно масі матеріальної точки. Або, що еквівалентно, швидкість зміни імпульсу матеріальної точки дорівнює прикладеній силі.

При додатку сили до тіла кінцевих розмірів у ньому виникають механічні напруження, що супроводжуються деформаціями.

З погляду Стандартної моделі фізики елементарних частинок фундаментальні взаємодії (гравітаційна, слабка, електромагнітна, сильна) здійснюються за допомогою обміну так званими калібрувальними бозонами. Експерименти з фізики високих енергій, проведені в 70-80-х роках. XX ст. підтвердили припущення про те, що слабка та електромагнітна взаємодії є проявами більш фундаментальної електрослабкої взаємодії.

Розмірність сили - LMT −2 , одиницею виміру в Міжнародній системіодиниць (СІ) є ньютон (N, Н), у системі СГС - діна.

2. Перший закон Ньютона.

Перший закон Ньютона стверджує, що існують системи відліку, в яких тіла зберігають стан спокою або рівномірного прямолінійного руху за відсутності дій на них з боку інших тіл або взаємної компенсації цих впливів. Такі системи відліку називають інерційними. Ньютон припустив, кожен масивний об'єкт має певний запас інерції, який характеризує «природне стан» руху цього об'єкта. Ця ідея заперечує погляд Аристотеля, котрий розглядав спокій «природним станом» об'єкта. Перший закон Ньютона суперечить арістотелівській фізиці, одним із положень якої є твердження про те, що тіло може рухатися з постійною швидкістю лише під дією сили. Той факт, що в механіці Ньютона в інерційних системах відліку спокій фізично не відрізняється від рівномірного прямолінійного руху, є обґрунтуванням принципу відносності Галілея. Серед сукупності тіл принципово неможливо визначити, які з них знаходиться «в русі», а які «спочивають». Говорити про рух можна лише щодо будь-якої системи відліку. Закони механіки виконуються однаково в усіх інерційних системах відліку, тобто всі вони механічно еквівалентні. Останнє випливає з про перетворень Галілея.

3.Другий закон Ньютона.

Другий закон Ньютона у сучасному формулюванні звучить так: в інерційній системі відліку швидкість зміни імпульсу матеріальної точки дорівнює векторній сумі всіх сил, що діють на цю точку.

де – імпульс матеріальної точки, – сумарна сила, що діє на матеріальну точку. Другий закон Ньютона свідчить, що вплив незбалансованих сил призводить до зміни імпульсу матеріальної точки.

За визначенням імпульсу:

де – маса, – швидкість.

У класичній механіці при швидкостях руху набагато менше швидкості світла маса матеріальної точки вважається незмінною, що дозволяє виносити її за цих умов за знак диференціала:

Враховуючи визначення прискорення точки, другий закон Ньютона набуває вигляду:

Вважається, що це «друга найвідоміша формула у фізиці», хоча сам Ньютон ніколи явно не записував свій другий закон у цьому вигляді. Вперше цю форму закону можна зустріти у працях К.Маклорена та Л.Ейлера.

Оскільки в будь-якій інерційній системі відліку прискорення тіла однаково і не змінюється при переході від однієї системи до іншої, то сила інваріантна по відношенню до такого переходу.

У всіх явищах природи силанезалежно від свого походження, проявляється лише у механічному сенсі, тобто як причина порушення рівномірного та прямолінійного руху тіла в інерційній системі координат. Зворотне твердження, тобто встановлення факту такого руху, не свідчить про відсутність сил, що діють на тіло, а лише про те, що дії цих сил взаємно врівноважуються. Інакше: їхня векторна сума є вектор з модулем, рівним нулю. На цьому ґрунтується вимір величини сили, коли вона компенсується силою, величина якої відома.

Другий закон Ньютона дозволяє вимірювати величину сили. Наприклад, знання маси планети та її доцентрового прискорення при русі по орбіті дозволяє обчислити величину сили гравітаційного тяжіння, що діє на цю планету з боку Сонця.

4.Третій закон Ньютона.

Для будь-яких двох тіл (назвемо їх тіло 1 і тіло 2) третій закон Ньютона стверджує, що сила дії тіла 1 на тіло 2 супроводжується появою рівною за модулем, але протилежною за направленням сили, що діє на тіло 1 з боку тіла 2. Математично закон записується так:

Цей закон означає, що сили завжди виникають парами «дія-протидія». Якщо тіло 1 і тіло 2 знаходяться в одній системі, то сумарна сила в системі, обумовлена ​​взаємодією цих тіл, дорівнює нулю:

Це означає, що у замкнутій системі немає незбалансованих внутрішніх сил. Це призводить до того, що центр мас замкнутої системи (тобто тієї, яку не діють зовнішні сили) не може рухатися з прискоренням. Окремі частини системи можуть прискорюватися, але лише таким чином, що система в цілому залишається у стані спокою або рівномірного прямолінійного руху. Однак у разі, якщо зовнішні сили подіють систему, її центр мас почне рухатися з прискоренням, пропорційним зовнішньої результуючої силі і обернено пропорційним масі системи.

5.Гравітація.

Гравітація ( сила тяжіння) - універсальна взаємодія між будь-якими видами матерії. У рамках класичної механіки описується законом всесвітнього тяжіння, сформульованим Ісааком Ньютоном у його праці «Математичні засади натуральної філософії». Ньютон отримав величину прискорення, з яким Місяць рухається навколо Землі, поклавши при розрахунку, що сила тяжіння зменшується пропорційно квадрату відстані від тіла, що тяжіє. Крім цього, їм було встановлено, що прискорення, обумовлене тяжінням одного тіла іншим, пропорційне добутку мас цих тіл. На підставі цих двох висновків був сформульований закон тяжіння: будь-які матеріальні частинки притягуються у напрямку один до одного з силою, прямо пропорційною добутку мас (і) і обернено пропорційною квадрату відстані між ними:

Тут – гравітаційна стала, значення якої вперше набув у своїх дослідах Генрі Кавендіш. Використовуючи цей закон, можна отримати формули для розрахунку сили тяжіння тіл довільної форми. Теорія тяжіння Ньютона добре описує рух планет Сонячна системата багатьох інших небесних тіл. Однак, в її основі лежить концепція далекодії, що суперечить теорії відносності. Тому класична теорія тяжіння не застосовна для опису руху тіл, що переміщуються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, гравітаційних полів надзвичайно масивних об'єктів (наприклад, чорних дірок), а також змінних полів тяжіння, створюваних тілами, що рухаються, на великих відстанях від них.

Більш загальною теорією гравітації є загальна теоріявідносності Альберта Ейнштейна. У ній гравітація не характеризується інваріантною силою, яка залежить від системи відліку. Натомість вільний рух тіл у гравітаційному полі, сприйманий спостерігачем як рух по викривленим траєкторіям у тривимірному просторі-часі зі змінною швидкістю, розглядається як рух за інерцією по геодезичній лінії у викривленому чотиривимірному просторі-часі, в якому час у різних точках тече по-різному . Причому ця лінія в певному сенсі «найпряміша» - вона така, що просторово-часовий проміжок ( власний час) між двома просторово-часовими положеннями даного тіламаксимальний. Викривлення простору залежить від маси тіл, і навіть від усіх видів енергії, що у системі.

6.Електростатичне поле (поле нерухомих зарядів).

Розвиток фізики після Ньютона додало до трьох основних (довжина, маса, час) величин електричний заряд з розмірністю C. Однак, виходячи з вимог практики, як основна одиниця виміру стали використовувати не одиницю заряду, а одиницю сили електричного струму. Так, у системі СІ основною одиницею є ампер, а одиниця заряду – кулон – похідна від нього.

Оскільки заряд, як такий, не існує незалежно від тіла, що несе його, то електрична взаємодія тіл проявляється у вигляді тієї ж розглянутої в механіці сили, що служить причиною прискорення. Що стосується електростатичного взаємодії двох точкових зарядів величинами і , які у вакуумі, використовується закон Кулона. У формі, що відповідає системі СІ, він має вигляд:

де - сила, з якою заряд 1 діє на заряд 2 - вектор, спрямований від заряду 1 до заряду 2 і по модулю дорівнює відстані між зарядами, а - електрична постійна, рівна ≈ 8,854187817 10 -12 Ф/м. При поміщенні зарядів в однорідне та ізотропне середовище сила взаємодії зменшується в ε разів, де ε - діелектрична проникністьсередовища.

Сила спрямована вздовж лінії, що з'єднує точкові заряди. Графічно електростатичне поле прийнято зображати у вигляді картини силових ліній, що являють собою уявні траєкторії, якими переміщалася б позбавлена ​​маси заряджена частка. Ці лінії починаються однією і закінчуються іншому заряді.

7. Електромагнітне поле (поле постійних струмів).

Існування магнітного поля визнавалося ще в середні віки китайцями, які використовували «люблячий камінь» - магніт, як прообраз магнітного компаса. Графічно магнітне поле прийнято зображати як замкнутих силових ліній, густота яких (як і, як і разі електростатичного поля) визначає його інтенсивність. Історично наочним способом візуалізації магнітного поля була залізна тирса, насипані, наприклад, на аркуш паперу, покладений на магніт.

Ерстед встановив, що струм по провіднику струм викликає відхилення магнітної стрілки.

Фарадей дійшов висновку, що навколо провідника зі струмом створюється магнітне поле.

Ампер висловив гіпотезу, визнану у фізиці, як модель процесу виникнення магнітного поля, що полягає у існуванні в матеріалах мікроскопічних замкнутих струмів, що забезпечують спільно ефект природного або наведеного магнетизму.

Ампером було встановлено, що в системі відліку, що знаходиться у вакуумі, по відношенню до якої заряд знаходиться в русі, тобто поводиться як електричний струм, виникає магнітне поле, інтенсивність якого визначається вектором магнітної індукції, що лежить в площині, розташованої перпендикулярно по відношенню до напрямку руху заряду.

Одиницею вимірювання магнітної індукції є тесла: 1 Тл = 1 Т кг з −2 А −2
Кількісно завдання було вирішено Ампером, який вимірював силу взаємодії двох паралельних провідників з поточними струмами. Один з провідників створював навколо себе магнітне поле, другий реагував на це поле зближенням або видаленням з силою, що піддається вимірюванню, знаючи яку і величину сили струму можна було визначити модуль вектора магнітної індукції.

Силове взаємодія між електричними зарядами, які у русі щодо одне одного описується законом Кулона. Однак заряди, що перебувають у русі щодо один одного, створюють магнітні поля, з яких створені рухом зарядів струмів у випадку приходять у стан силового взаємодії.

Принциповою відмінністю сили, що виникає при відносному русі зарядів від випадку їхнього стаціонарного розміщення, є відмінність у геометрії цих сил. Для випадку електростатики сил взаємодії двох зарядів спрямована по лінії, що їх з'єднує. Тому геометрія завдання двовимірна і розгляд ведеться в площині, що проходить цю лінію.

У разі струмів сила, що характеризує магнітне поле, створюване струмом, розташована в площині перпендикулярної струму. Тому картина явища стає тривимірною. Магнітне поле, створюване нескінченно малим по довжині елементом першого струму, взаємодіючи з таким самим елементом другого струму, у загальному випадку створює силу, що діє на нього. При цьому для обох струмів ця картина є повністю симетричною в тому сенсі, що нумерація струмів довільна.

Закон взаємодії струмів використовується для еталонування постійного струму.

8.Сильна взаємодія.

Сильна взаємодія – фундаментальна короткодіюча взаємодія між адронами та кварками. В атомному ядрі сильна взаємодія утримує разом позитивно заряджені (що зазнають електростатичного відштовхування) протони, відбувається за допомогою обміну пі-мезонами між нуклонами (протонами і нейтронами). Пі-мезони живуть дуже мало, часу життя їм вистачає лише на те, щоб забезпечити ядерні силиу радіусі ядра, тому ядерні сили називають короткодіючими. Збільшення кількості нейтронів «розбавляє» ядро, зменшуючи електростатичні сили та збільшуючи ядерні, але при велику кількістьнейтронів вони самі, будучи ферміонами, починають відчувати відштовхування через принцип Паулі. Також при надто сильному зближенні нуклонів починається обмін W-бозонами, що викликає відштовхування, завдяки цьому атомні ядра не «схлопуються».

Усередині самих адронів сильна взаємодія утримує разом кварки - складові адронів. Квантами сильного поля є глюони. Кожен кварк має один із трьох «колірних» зарядів, кожен глюон складається з пари «колір»-«антицвіт». Глюони пов'язують кварки у т.з. "конфайнмент", через який на даний момент вільні кварки в експерименті не спостерігалися. При віддаленні кварків друг від друга енергія глюонних зв'язків зростає, а чи не зменшується як із ядерному взаємодії. Витративши багато енергії (зіштовхнувши адрони в прискорювачі) можна розірвати кварк-глюонний зв'язок, але при цьому відбувається викид струменя нових адронів. Втім, вільні кварки можуть існувати в космосі: якщо якомусь кварку вдалося уникнути конфайнменту під час Великого вибуху, то ймовірність анігілювати з відповідним антикварком або перетворитися на безбарвний адрон для такого кварку зникаюче мала.

9.Слабка взаємодія.

Слабка взаємодія - фундаментальна короткодіюча взаємодія. Радіус дії 10 −18 м. Симетрично щодо комбінації просторової інверсії та зарядового сполучення. У слабкій взаємодії беруть участь усі фундаментальніферміони (лептониі кварки). Це єдина взаємодія, в якій беруть участьнейтрино(не рахуючи гравітації, незначно малою в лабораторних умовах), чим пояснюється колосальна проникаюча здатність цих частинок. Слабка взаємодія дозволяє лептонам, кваркам та їхантичастинкамобмінюватися енергією, масою, електричним зарядомі квантовими числами- тобто перетворюватися один на одного. Один із проявів -бета-розпад.