Existuje množstvo zákonov, ktoré charakterizujú fyzikálne procesy pri mechanických pohyboch telies.

Rozlišujú sa tieto základné zákony fyziky:

• zákon gravitácie;
• zákon univerzálnej gravitácie;
• zákony trecej sily;
• zákon sily pružnosti;
• Newtonove zákony.

zákon gravitácie

Poznámka 1

Gravitácia je jedným z prejavov pôsobenia gravitačných síl.

Gravitácia je reprezentovaná ako sila, ktorá pôsobí na teleso zo strany planéty a dáva mu zrýchlenie voľného pádu.

Voľný pád možno uvažovať v tvare $mg = G\frac(mM)(r^2)$, z čoho získame vzorec zrýchlenia voľného pádu:

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

Vzorec na určenie gravitácie bude vyzerať takto:

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

Gravitácia má určitý vektor šírenia. Je vždy nasmerovaný vertikálne nadol, teda k stredu planéty. Gravitačná sila pôsobí na telo neustále a to znamená, že padá voľným pádom.

Trajektória pohybu pri pôsobení gravitácie závisí od:

• modul počiatočnej rýchlosti objektu;
• smer rýchlosti telesa.

Človek sa s týmto fyzikálnym javom stretáva denne.

Gravitačná sila môže byť vyjadrená aj vzorcom $P = mg$. Pri urýchľovaní voľného pádu sa berú do úvahy aj dodatočné množstvá.

Ak vezmeme do úvahy zákon univerzálnej gravitácie, ktorý sformuloval Isaac Newton, všetky telesá majú určitú hmotnosť. Priťahujú sa k sebe silou. Bude sa nazývať gravitačná sila.

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

Táto sila je priamo úmerná súčinu hmotností dvoch telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.

$G = 6,7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, kde $G$ je gravitačná konštanta a má medzinárodné systémové merania SI konštantná hodnota.

Definícia 1

Hmotnosť je sila, ktorou teleso pôsobí na povrch planéty po objavení sa gravitácie.

V prípadoch, keď je telo v pokoji alebo sa pohybuje rovnomerne na vodorovnom povrchu, potom bude hmotnosť rovná sile podporujú reakcie a svojou hodnotou sa zhodujú s hodnotou gravitácie:

O rovnomerne zrýchlený pohyb vertikálne sa bude hmotnosť líšiť od gravitácie na základe vektora zrýchlenia. Keď je vektor zrýchlenia nasmerovaný opačným smerom, nastáva stav preťaženia. V prípadoch, keď sa teleso spolu s podperou pohybuje so zrýchlením $a = g$, potom sa hmotnosť bude rovnať nule. Stav nulovej hmotnosti sa nazýva stav beztiaže.

Sila gravitačného poľa sa vypočíta takto:

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

Hodnota $F$ je gravitačná sila, ktorá pôsobí na hmotný bod s hmotnosťou $m$.

Telo je umiestnené v určitom bode poľa.

Potenciálna energia gravitačnej interakcie dvoch hmotných bodov s hmotnosťou $m_1$ a $m_2$ musí byť od seba vo vzdialenosti $r$.

Potenciál gravitačného poľa možno nájsť podľa vzorca:

$\varphi = \Pi / m$

Tu $П$ je potenciálna energia hmotný bod s hmotnosťou $m$. Je umiestnený v určitom bode poľa.

Zákony trecej sily

Poznámka 2

Trecia sila vzniká pri pohybe a smeruje proti kĺzaniu telesa.

Statická trecia sila bude úmerná normálna reakcia. Statická trecia sila nezávisí od tvaru a veľkosti trecích plôch. Statický koeficient trenia závisí od materiálu telies, ktoré sú v kontakte a vytvárajú treciu silu. Zákony trenia však nemožno nazvať stabilnými a presnými, pretože vo výsledkoch výskumu sú často pozorované rôzne odchýlky.

Tradičné písanie trecej sily zahŕňa použitie koeficientu trenia ($\eta$), $N$ je sila normálneho tlaku.

Existuje tiež vonkajšie trenie, valivá trecia sila, klzná trecia sila, viskózna trecia sila a iné typy trenia.

Zákon elastickej sily

Elastická sila sa rovná tuhosti tela, ktorá sa vynásobí veľkosťou deformácie:

$F = k \cdot \Delta l$

V našom klasickom silovom vzorci na nájdenie elastickej sily zaujíma hlavné miesto tuhosť telesa ($k$) a deformácia telesa ($\Delta l$). Jednotkou sily je newton (N).

Takýto vzorec môže opísať najjednoduchší prípad deformácie. Hovorí sa tomu Hookov zákon. Hovorí sa, že ak nejaké vyskúšate prístupným spôsobom deformovať telo, elastická sila bude mať tendenciu vrátiť tvar objektu do jeho pôvodnej podoby.

Aby ste pochopili a presne opísali proces fyzikálny jav zaviesť ďalšie pojmy. Koeficient elasticity ukazuje závislosť od:

• vlastnosti materiálu;
• veľkosti tyčí.

Rozlišuje sa najmä závislosť od rozmerov tyče alebo plochy prierezu a dĺžky. Potom sa koeficient pružnosti telesa zapíše ako:

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

V takomto vzorci je veličina $E$ modul pružnosti prvého druhu. Nazýva sa aj Youngov modul. Odráža mechanické vlastnosti konkrétneho materiálu.

Pri výpočte priamych tyčí sa Hookov zákon používa v relatívnej forme:

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

Je potrebné poznamenať, že aplikácia Hookovho zákona bude účinná len pri relatívne malých deformáciách. Ak je prekročená úroveň limitu proporcionality, potom sa vzťah medzi deformáciami a napätiami stáva nelineárnym. Na niektoré médiá sa Hookov zákon nedá aplikovať ani pri malých deformáciách.

Kristus.) – jeden z „deviatich anjelských rádov“. Podľa klasifikácie Pseudo-Dionysia je Areopagit piatym radom, ktorý spolu s panstvami a autoritami tvorí druhú triádu.

Veľká definícia

Neúplná definícia ↓

SILA

nemechanické, metafyzické). Polychrónna orientácia latentnej absorpcie, ktorá je komplementárna k akejkoľvek štruktúre, k tejto samotnej štruktúre. Pre subjektívne vedomie sa S. môže javiť len ako virtualita. Ani v cieli nie sú žiadne sily. S. je vždy príznakom výrezu alebo úseku existencie, zmeny charakteru izolácie časti od celku.

Komplex sily-čas-pohyb-štruktúra je teda vždy daný neúplnosťou z hľadiska priepustnosti, nezrozumiteľnosti celku, na hranici časti a jej komplementárnosti. Avšak práve S. je vo svojom význame najväčším pojmovým zástupcom. Ukazuje sa, že je lokálne tu-teraz reprezentovaný projekciou množstva faktorov.

Subjekt nepociťuje tú či onú vnútornú psychickú silu, ale aj v najkrajnejšom či najkrajnejšom prípade – iba tlak „síl“. Využitie týchto tlakov vo forme činov a afektov zanecháva skryté aj prípadné nové sily.

Od bežných javov môžeme ľahko prejsť k mikrojavom, skutočným, ale ležiacim mimo bežného každodenného a vedeckého javu, ale prechod na akýkoľvek druh mikromotora, mikrokinesticity je nemožný.

Triviálna definícia sily ako miery vplyvu je heuristicky neprijateľná. Všetko, čo je spojené s energiou, sa javí ako prielom neexistencie cez ten či onen systém zákazov, určený štruktúrami konkrétnejšej danosti. Zároveň je určitým spôsobom kanalizovaný samotný prielom. Problém je komplikovaný tým, že štruktúry nemôžu existovať v akejkoľvek kapacite, ak už nemajú daný tvar energetického prielomu. V určitom hypotetickom absolútnom okamihu neexistujú žiadne štruktúry - sú to dočasné výtvory a ďalej

okrajom cyklov sú inertné opakovania.

Veľká definícia

Neúplná definícia ↓

1. Pevnosť- vektor fyzikálne množstvo , čo je miera intenzity vplyvu na danú telo iné orgány a polia . Pripevnený k masívu sila tela je príčinou jeho zmeny rýchlosť alebo výskyt v ňom deformácie a napätia.

Charakterizuje sa sila ako vektorová veličina modul, smer A „bod“ aplikácie silu. Posledným parametrom sa koncepcia sily ako vektora vo fyzike líši od koncepcie vektora vo vektorovej algebre, kde vektory rovnaké v absolútnej hodnote a smere, bez ohľadu na bod ich aplikácie, sa považujú za rovnaký vektor. Vo fyzike sa tieto vektory nazývajú voľné vektory. V mechanike je extrémne bežný koncept spojených vektorov, ktorých začiatok je pevný v určitom bode v priestore alebo môže byť na priamke, ktorá pokračuje v smere vektora (posuvné vektory).

Používa sa aj koncept siločiara, označujúca priamku prechádzajúcu bodom pôsobenia sily, pozdĺž ktorej sila smeruje.

Druhý Newtonov zákon hovorí, že v inerciálnych referenčných sústavách sa zrýchlenie hmotného bodu v smere zhoduje s výslednicou všetkých síl pôsobiacich na teleso a v absolútnej hodnote je priamo úmerné modulu sily a nepriamo úmerné hmotnosti materiálu. bod. Alebo, ekvivalentne, rýchlosť zmeny hybnosti hmotného bodu sa rovná použitej sile.

Pri pôsobení sily na teleso konečných rozmerov v ňom vznikajú mechanické napätia sprevádzané deformáciami.

Z pohľadu Štandardného modelu fyziky elementárnych častíc sa základné interakcie (gravitačné, slabé, elektromagnetické, silné) uskutočňujú prostredníctvom výmeny takzvaných kalibračných bozónov. Fyzikálne experimenty vysokých energií uskutočnené v 70.-80. 20. storočie potvrdili predpoklad, že slabé a elektromagnetické interakcie sú prejavom zásadnejšej elektroslabej interakcie.

Rozmer sily je LMT −2, mernou jednotkou v Medzinárodnej sústave jednotiek (SI) je newton (N, N), v sústave CGS je to dyn.

2. Prvý Newtonov zákon.

Prvý Newtonov zákon hovorí, že existujú referenčné rámce, v ktorých telesá udržiavajú stav pokoja alebo uniformy priamočiary pohyb ak na ne nepôsobia iné orgány alebo pri vzájomnej kompenzácii týchto vplyvov. Takéto vzťažné sústavy sa nazývajú inerciálne. Newton navrhol, že každý masívny objekt má určitú zotrvačnosť, ktorá charakterizuje „prirodzený stav“ pohybu tohto objektu. Táto myšlienka popiera názor Aristotela, ktorý považoval odpočinok za „prirodzený stav“ objektu. Prvý Newtonov zákon odporuje aristotelovskej fyzike, ktorej jedným z ustanovení je tvrdenie, že teleso sa môže pohybovať konštantnou rýchlosťou iba pôsobením sily. Skutočnosť, že v newtonovskej mechanike v inerciálnych vzťažných sústavách je pokoj fyzikálne nerozoznateľný od rovnomerného priamočiareho pohybu, je odôvodnením Galileiho princípu relativity. Spomedzi všetkých tiel je v zásade nemožné určiť, ktoré z nich je „v pohybe“ a ktoré je „v pokoji“. O pohybe je možné hovoriť iba vo vzťahu k akémukoľvek referenčnému systému. Zákony mechaniky platia rovnako vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách, inými slovami, všetky sú mechanicky ekvivalentné. To posledné vyplýva z takzvaných Galileových premien.

3. Druhý Newtonov zákon.

Druhý Newtonov zákon vo svojej modernej formulácii znie takto: v inerciálnej vzťažnej sústave sa rýchlosť zmeny hybnosti hmotného bodu rovná vektorovému súčtu všetkých síl pôsobiacich na tento bod.

kde je hybnosť hmotného bodu, je celková sila pôsobiaca na hmotný bod. Druhý Newtonov zákon hovorí, že pôsobenie nevyvážených síl vedie k zmene hybnosti hmotného bodu.

Podľa definície hybnosti:

kde je hmotnosť, je rýchlosť.

V klasickej mechanike sa pri rýchlostiach pohybu oveľa menších ako je rýchlosť svetla hmotnosť hmotného bodu považuje za nezmenenú, čo umožňuje vyňať ju zo znamienka diferenciálu za týchto podmienok:

Vzhľadom na definíciu zrýchlenia bodu má druhý Newtonov zákon formu:

Hovorí sa, že je to "druhý najznámejší vzorec vo fyzike", hoci Newton sám nikdy výslovne nezapísal svoj druhý zákon v tejto podobe. Po prvýkrát sa táto forma práva nachádza v dielach K. Maclaurina a L. Eulera.

Pretože v akejkoľvek inerciálnej referenčnej sústave je zrýchlenie telesa rovnaké a nemení sa pri pohybe z jedného rámca do druhého, potom je sila vzhľadom na takýto prechod invariantná.

Vo všetkých prírodných javoch sila bez ohľadu na jeho pôvod, sa objavuje len v mechanickom zmysle, teda ako príčina porušenia rovnomerného a priamočiareho pohybu telesa v inerciálnej súradnicovej sústave. Opačné tvrdenie, teda konštatovanie faktu takéhoto pohybu, nenaznačuje absenciu síl pôsobiacich na teleso, ale len to, že pôsobenie týchto síl je vzájomne vyvážené. Inak: ich vektorový súčet je vektor s modulom rovným nule. Toto je základ pre meranie veľkosti sily, keď je kompenzovaná silou, ktorej veľkosť je známa.

Druhý Newtonov zákon umožňuje merať veľkosť sily. Napríklad poznanie hmotnosti planéty a jej dostredivého zrýchlenia pri pohybe na obežnej dráhe nám umožňuje vypočítať veľkosť gravitačnej sily pôsobiacej na túto planétu zo Slnka.

4. Tretí Newtonov zákon.

Pre ľubovoľné dve telesá (nazvime ich teleso 1 a teleso 2) platí tretí Newtonov zákon, že sila pôsobenia telesa 1 na teleso 2 je sprevádzaná objavením sa sily rovnakej absolútnej hodnoty, ale opačného smeru. na telese 1 z telesa 2. Matematicky je zakon napisany Tak:

Tento zákon znamená, že sily vznikajú vždy v pároch akcia-reakcia. Ak sú teleso 1 a teleso 2 v rovnakom systéme, potom je celková sila v systéme v dôsledku interakcie týchto telies nulová:

To znamená, že v uzavretom systéme nie sú žiadne nevyvážené vnútorné sily. To vedie k tomu, že ťažisko uzavretého systému (teda takého, ktorý nie je ovplyvnené vonkajšími silami) sa nemôže pohybovať so zrýchlením. Jednotlivé časti systému môžu zrýchľovať, ale len tak, že systém ako celok zostane v stave pokoja alebo rovnomerného priamočiareho pohybu. V prípade, že na sústavu pôsobia vonkajšie sily, potom sa jej ťažisko začne pohybovať so zrýchlením úmerným výslednej vonkajšej sile a nepriamo úmerným hmotnosti sústavy.

5. Gravitácia.

Gravitácia ( gravitácia) - univerzálna interakcia medzi akýmkoľvek druhom hmoty. V rámci klasickej mechaniky ju popisuje zákon univerzálnej gravitácie, ktorý sformuloval Isaac Newton vo svojom diele „The Mathematical Principles of Natural Philosophy“. Newton získal veľkosť zrýchlenia, s ktorým sa Mesiac pohybuje okolo Zeme, pričom pri výpočte vychádzal z toho, že gravitačná sila klesá nepriamo úmerne so štvorcom vzdialenosti od gravitujúceho telesa. Okrem toho tiež zistil, že zrýchlenie spôsobené priťahovaním jedného telesa druhým je úmerné súčinu hmotností týchto telies. Na základe týchto dvoch záverov bol formulovaný gravitačný zákon: akékoľvek častice materiálu sú k sebe priťahované silou, ktorá je priamo úmerná súčinu hmotností ( a ) a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:

Tu je gravitačná konštanta, ktorej hodnotu ako prvý získal Henry Cavendish vo svojich experimentoch. Pomocou tohto zákona možno získať vzorce na výpočet gravitačnej sily telies ľubovoľného tvaru. Newtonova teória gravitácie dobre popisuje pohyb planét. slnečná sústava a mnoho ďalších nebeských telies. Vychádza však z koncepcie pôsobenia na veľké vzdialenosti, čo je v rozpore s teóriou relativity. Preto klasická teória gravitácie nie je použiteľná na opis pohybu telies pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, gravitačných polí extrémne masívnych objektov (napríklad čiernych dier), ako aj premenných gravitačných polí vytvorených pohybom telies na veľké vzdialenosti od nich.

Všeobecnejšou teóriou gravitácie je všeobecná teória relativity Alberta Einsteina. V ňom nie je gravitácia charakterizovaná invariantnou silou, ktorá nezávisí od referenčného rámca. Namiesto toho sa voľný pohyb telies v gravitačnom poli, ktorý pozorovateľ vníma ako pohyb po zakrivených trajektóriách v trojrozmernom časopriestore s premenlivou rýchlosťou, považuje za pohyb zotrvačnosťou pozdĺž geodetickej čiary v zakrivenom štvorrozmernom priestore. -čas, v ktorom čas plynie rôzne v rôznych bodoch. Navyše, táto čiara je v istom zmysle „najpriamejšia“ – je taká, že časopriestorový interval (správny čas) medzi dvoma časopriestorovými polohami daného telesa je maximálny. Zakrivenie priestoru závisí od hmotnosti telies, ako aj od všetkých druhov energie prítomných v systéme.

6. Elektrostatické pole (pole pevných nábojov).

Rozvoj fyziky po Newtonovi pridal k trom základným (dĺžka, hmotnosť, čas) veličiny nabíjačka s rozmerom C. Na základe požiadaviek praxe však začali ako hlavnú jednotku merania používať nie jednotku náboja, ale jednotku sily elektrického prúdu. Takže v systéme SI je základnou jednotkou ampér a jednotkou náboja je prívesok, ktorý je jeho derivátom.

Keďže náboj ako taký neexistuje nezávisle od telesa, ktoré ho nesie, elektrická interakcia telies sa prejavuje vo forme tej istej sily uvažovanej v mechanike, ktorá spôsobuje zrýchlenie. Pri elektrostatickej interakcii dvoch bodových nábojov s hodnotami umiestnenými vo vákuu sa používa Coulombov zákon. V tvare zodpovedajúcom sústave SI má tvar:

kde je sila, ktorou náboj 1 pôsobí na náboj 2; Keď sú náboje umiestnené v homogénnom a izotropnom prostredí, interakčná sila klesá faktorom ε, kde ε je permitivita prostredia.

Sila smeruje pozdĺž čiary spájajúcej bodové náboje. Graficky je elektrostatické pole zvyčajne znázornené ako obraz siločiar, čo sú imaginárne trajektórie, po ktorých by sa pohybovala bezhmotná nabitá častica. Tieto riadky začínajú na jednom a končia na inom náboji.

7. Elektromagnetické pole (pole jednosmerného prúdu).

Existencia magnetické pole bol rozpoznaný už v stredoveku Číňanmi, ktorí používali "milujúci kameň" - magnet, ako prototyp magnetického kompasu. Graficky je magnetické pole zvyčajne znázornené ako uzavreté siločiary, ktorých hustota (ako v prípade elektrostatického poľa) určuje jeho intenzitu. Historicky vizuálnym spôsobom vizualizácie magnetického poľa boli železné piliny, naliate napríklad na list papiera umiestnený na magnete.

Oersted zistil, že prúd pretekajúci vodičom spôsobuje vychýlenie magnetickej strelky.

Faraday dospel k záveru, že okolo vodiča s prúdom sa vytvára magnetické pole.

Ampère vyjadril hypotézu, uznávanú vo fyzike, ako model procesu vzniku magnetického poľa, ktorý spočíva v existencii mikroskopických uzavretých prúdov v materiáloch, ktoré spolu poskytujú efekt prirodzeného alebo indukovaného magnetizmu.

Ampere zistil, že v referenčnej sústave vo vákuu, vo vzťahu ku ktorej je náboj v pohybe, to znamená, že sa správa ako elektrický prúd, vzniká magnetické pole, ktorého intenzita je určená vektorom magnetickej indukcie ležiacim v rovine kolmo na smer pohybu náboja.

Jednotkou magnetickej indukcie je tesla: 1 T = 1 T kg s −2 A −2
Problém kvantitatívne vyriešil Ampere, ktorý zmeral silu interakcie dvoch paralelných vodičov s prúdmi, ktoré nimi pretečú. Jeden z vodičov okolo seba vytváral magnetické pole, druhý na toto pole reagoval približovaním sa alebo vzďaľovaním merateľnou silou, pri vedomí ktorej a veľkosti prúdu bolo možné určiť modul vektora magnetickej indukcie.

Silová interakcia medzi elektrickými nábojmi, ktoré nie sú vo vzájomnom pohybe, je opísaná Coulombovým zákonom. Náboje, ktoré sú vo vzájomnom pohybe, však vytvárajú magnetické polia, cez ktoré sa prúdy vznikajúce pohybom nábojov vo všeobecnosti dostávajú do stavu silovej interakcie.

Zásadný rozdiel medzi silou vznikajúcou pri relatívnom pohybe nábojov a prípadom ich stacionárneho umiestnenia je rozdiel v geometrii týchto síl. V prípade elektrostatiky sú interakčné sily dvoch nábojov smerované pozdĺž čiary, ktorá ich spája. Preto je geometria problému dvojrozmerná a zvažovanie sa vykonáva v rovine prechádzajúcej touto čiarou.

Pri prúdoch sa sila charakterizujúca magnetické pole vytvorené prúdom nachádza v rovine kolmej na prúd. Preto sa obraz javu stáva trojrozmerným. Magnetické pole vytvorené prvkom prvého prúdu, nekonečne malej dĺžky, v interakcii s rovnakým prvkom druhého prúdu, vo všeobecnom prípade vytvára silu, ktorá naň pôsobí. Navyše, pre oba prúdy je tento obraz úplne symetrický v tom zmysle, že číslovanie prúdov je ľubovoľné.

Na štandardizáciu jednosmerného elektrického prúdu sa používa zákon interakcie prúdov.

8. Silná interakcia.

Silná interakcia je základná interakcia krátkeho dosahu medzi hadrónmi a kvarkami. V atómovom jadre drží silná sila pohromade kladne nabité (zažívajúce elektrostatické odpudzovanie) protóny, k tomu dochádza prostredníctvom výmeny pí-mezónov medzi nukleónmi (protóny a neutróny). Pi-mezóny žijú veľmi málo, ich životnosť je dostatočná len na zabezpečenie jadrových síl v okruhu jadra, preto sa jadrové sily nazývajú krátke. Zvýšenie počtu neutrónov jadro "zrieďuje", znižuje elektrostatické sily a zvyšuje jadrové sily, ale pri vo veľkom počte neutróny, oni sami, keďže sú fermiónmi, začínajú pociťovať odpudzovanie kvôli Pauliho princípu. Taktiež, keď sú nukleóny príliš blízko seba, nastáva výmena W-bozónov, čo spôsobuje odpudzovanie, vďaka čomu sa atómové jadrá „nezrútia“.

V samotných hadrónoch drží silná sila pohromade kvarky, ktoré tvoria hadróny. Kvantá silného poľa sú gluóny. Každý kvark má jeden z troch „farebných“ nábojov, každý gluón pozostáva z dvojice „farba“ – „anticolor“. Gluóny viažu kvarky v tzv. „confinement“, vďaka čomu v súčasnosti neboli v experimente pozorované voľné kvarky. Keď sa kvarky od seba vzdialia, energia gluónových väzieb sa zvyšuje a neklesá ako v prípade jadrovej interakcie. Po vynaložení veľkého množstva energie (zrážaním hadrónov v urýchľovači) je možné prerušiť väzbu kvark-gluón, ale v tomto prípade sa vymrští prúd nových hadrónov. Voľné kvarky však môžu existovať vo vesmíre: ak sa kvarku podarilo vyhnúť sa uväzneniu počas Veľkého tresku, potom je pravdepodobnosť anihilácie s príslušným antikvarkom alebo premena na bezfarebný hadrón pre takýto kvark mizivo malá.

9. Slabá interakcia.

Slabá interakcia je základná interakcia krátkeho dosahu. Rozsah 10 −18 m) Symetrické vzhľadom na kombináciu priestorovej inverzie a konjugácie náboja. Slabá interakcia zahŕňa všetko podstatnéfermióny (leptóny A kvarky). Toto je jediná interakcia, ktorá zahŕňaneutrína(nehovoriac o gravitácia, zanedbateľný v laboratórne podmienky), čo vysvetľuje kolosálnu penetračnú silu týchto častíc. Slabá interakcia umožňuje leptóny, kvarky a ichantičastice výmena energie, hmotnosť, nabíjačka A kvantové čísla- teda premeniť sa jeden na druhého. Jeden z prejavovbeta rozpad.

Charakterizuje sa sila ako vektorová veličina modul , smer A „bod“ aplikácie silu. Posledným parametrom sa koncepcia sily ako vektora vo fyzike líši od koncepcie vektora vo vektorovej algebre, kde vektory rovnaké v absolútnej hodnote a smere, bez ohľadu na bod ich aplikácie, sa považujú za rovnaký vektor. Vo fyzike sa tieto vektory nazývajú voľné vektory.V mechanike pojem viazaných vektorov, ktorých začiatok je pevný v určitom bode v priestore, alebo môže byť na priamke, ktorá pokračuje v smere vektora (posuvné vektory), je mimoriadne časté. .

Používa sa aj koncept siločiara, označujúca priamku prechádzajúcu bodom pôsobenia sily, pozdĺž ktorej sila smeruje.

Rozmer sily je LMT −2, mernou jednotkou v Medzinárodnej sústave jednotiek (SI) je newton (N, N), v sústave ČGS - dyne.

História konceptu

Pojem sily používali vedci staroveku vo svojich prácach o statike a pohybe. Zaoberal sa štúdiom síl v procese navrhovania jednoduchých mechanizmov v III. BC e. Archimedes. Aristotelove mocenské predstavy spojené so zásadnými nezrovnalosťami pretrvali niekoľko storočí. Tieto nezrovnalosti boli odstránené v 17. storočí. Isaac Newton pomocou matematických metód na opis sily. Newtonovská mechanika zostala všeobecne akceptovaná takmer tristo rokov. Na začiatku XX storočia. Albert Einstein v teórii relativity ukázal, že newtonovská mechanika je správna len pri relatívne nízkych rýchlostiach a hmotnostiach telies v systéme, čím objasnil základné ustanovenia kinematiky a dynamiky a opísal niektoré nové vlastnosti časopriestoru.

Newtonovská mechanika

Isaac Newton sa rozhodol opísať pohyb objektov pomocou konceptov zotrvačnosti a sily. Keď to urobil, zistil, že každý mechanický pohyb podlieha všeobecným zákonom zachovania. Pán Newton publikoval svoju slávnu prácu "", v ktorej načrtol tri základné zákony klasickej mechaniky (slávne Newtonove zákony).

Newtonov prvý zákon

Napríklad zákony mechaniky sú úplne rovnaké v karosérii nákladného auta, keď ide po rovnom úseku cesty konštantnou rýchlosťou a keď stojí. Človek si môže hodiť loptu kolmo nahor a po určitom čase ju chytiť na tom istom mieste, bez ohľadu na to, či sa vozík pohybuje rovnomerne a priamočiaro alebo v pokoji. Pre neho letí lopta v priamom smere. Pre vonkajšieho pozorovateľa na zemi však dráha lopty vyzerá ako parabola. Je to spôsobené tým, že loptička sa počas letu pohybuje vzhľadom na zem nielen vertikálne, ale aj horizontálne zotrvačnosťou v smere kamióna. Pre človeka na korbe nákladného auta je jedno, či sa ten druhý pohybuje po ceste, resp svet sa pohybuje konštantnou rýchlosťou v opačnom smere, kým vozík stojí. Stav pokoja a rovnomerný priamočiary pohyb sú teda navzájom fyzicky nerozoznateľné.

Druhý Newtonov zákon

Podľa definície hybnosti:

kde je hmotnosť, je rýchlosť.

Ak hmotnosť hmotného bodu zostane nezmenená, potom je časová derivácia hmotnosti nulová a rovnica sa zmení na:

Tretí Newtonov zákon

Pre ľubovoľné dve telesá (nazvime ich teleso 1 a teleso 2) platí tretí Newtonov zákon, že sila pôsobenia telesa 1 na teleso 2 je sprevádzaná objavením sa sily rovnakej absolútnej hodnoty, ale opačného smeru. na telese 1 z telesa 2. Matematicky je zakon napisany takto:

Tento zákon znamená, že sily vznikajú vždy v pároch akcia-reakcia. Ak sú teleso 1 a teleso 2 v rovnakom systéme, potom je celková sila v systéme v dôsledku interakcie týchto telies nulová:

To znamená, že v uzavretom systéme neexistujú nevyvážené vnútorné sily. To vedie k tomu, že ťažisko uzavretého systému (teda takého, ktorý nie je ovplyvnené vonkajšími silami) sa nemôže pohybovať so zrýchlením. Jednotlivé časti systému môžu zrýchľovať, ale len tak, že systém ako celok zostane v stave pokoja alebo rovnomerného priamočiareho pohybu. V prípade, že na sústavu pôsobia vonkajšie sily, potom sa jej ťažisko začne pohybovať so zrýchlením úmerným výslednej vonkajšej sile a nepriamo úmerným hmotnosti sústavy.

Základné interakcie

Všetky sily v prírode sú založené na štyroch typoch základných interakcií. maximálna rýchlosťšírenie všetkých typov interakcií sa rovná rýchlosti svetla vo vákuu. Elektromagnetické sily pôsobia medzi elektricky nabitými telesami, gravitačné sily pôsobia medzi masívnymi predmetmi. Silné a slabé sa objavujú len vo veľmi malých vzdialenostiach a sú zodpovedné za interakciu medzi subatomárnymi časticami vrátane nukleónov, ktoré tvoria atómové jadrá.

Intenzita silných a slabých interakcií sa meria v jednotky energie(elektrónvolty), nie jednotky sily, a preto použitie pojmu „sila“ na ne sa vysvetľuje tradíciou prevzatou z antiky na vysvetlenie akýchkoľvek javov vo svete okolo nás pôsobením „síl“ špecifických pre každý jav.

Pojem sily nemožno aplikovať na javy subatomárneho sveta. Ide o pojem z arzenálu klasickej fyziky, spojený (aj keď len podvedome) s newtonovskými predstavami o silách pôsobiacich na diaľku. V subatomárnej fyzike už takéto sily neexistujú: sú nahradené interakciami medzi časticami, ktoré sa vyskytujú cez polia, teda niektorými inými časticami. Preto sa fyzici vysokých energií vyhýbajú používaniu tohto slova sila, pričom ho nahradíme slovom interakcia.

Každý typ interakcie je spôsobený výmenou zodpovedajúcich nosičov interakcie: gravitačná - výmena gravitónov (existencia nebola experimentálne potvrdená), elektromagnetická - virtuálne fotóny, slabé - vektorové bozóny, silné - gluóny (a na veľké vzdialenosti - mezóny ). V súčasnosti sa elektromagnetické a slabé interakcie spájajú do zásadnejšej elektroslabej interakcie. Uskutočňujú sa pokusy spojiť všetky štyri základné interakcie do jednej (takzvaná veľká zjednotená teória).

Celú rozmanitosť síl prejavujúcich sa v prírode možno v zásade zredukovať na tieto štyri základné interakcie. Napríklad trenie je prejavom elektromagnetických síl pôsobiacich medzi atómami dvoch povrchov, ktoré sú v kontakte, a Pauliho vylučovací princíp, ktorý zabraňuje prenikaniu atómov do vzájomnej oblasti. Sila generovaná deformáciou pružiny, opísaná Hookovým zákonom, je tiež výsledkom elektromagnetických síl medzi časticami a Pauliho vylučovacieho princípu, ktorý núti atómy kryštálovej mriežky látky držať v blízkosti rovnovážnej polohy. .

Takáto podrobná úvaha o pôsobení síl sa však v praxi ukazuje nielen ako neúčelná, ale podľa podmienok problému aj jednoducho nemožná.

gravitácia

Gravitácia ( gravitácia) - univerzálna interakcia medzi akýmkoľvek druhom hmoty. V rámci klasickej mechaniky ju popisuje zákon univerzálnej gravitácie, ktorý sformuloval Isaac Newton vo svojom diele „The Mathematical Principles of Natural Philosophy“. Newton získal veľkosť zrýchlenia, s ktorým sa Mesiac pohybuje okolo Zeme, pričom pri výpočte vychádzal z toho, že gravitačná sila klesá nepriamo úmerne so štvorcom vzdialenosti od gravitujúceho telesa. Okrem toho tiež zistil, že zrýchlenie spôsobené priťahovaním jedného telesa druhým je úmerné súčinu hmotností týchto telies. Na základe týchto dvoch záverov bol formulovaný gravitačný zákon: akékoľvek častice materiálu sú k sebe priťahované silou, ktorá je priamo úmerná súčinu hmotností ( a ) a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:

Tu je gravitačná konštanta, ktorej hodnotu prvýkrát získal vo svojich experimentoch Henry Cavendish. Pomocou tohto zákona možno získať vzorce na výpočet gravitačnej sily telies ľubovoľného tvaru. Newtonova teória gravitácie dobre popisuje pohyb planét slnečnej sústavy a mnohých iných nebeských telies. Vychádza však z koncepcie pôsobenia na veľké vzdialenosti, čo je v rozpore s teóriou relativity. Klasická teória gravitácie preto nie je použiteľná na popis pohybu telies pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, gravitačných polí extrémne masívnych objektov (napríklad čiernych dier), ako aj premenných gravitačných polí vytvorených napr. pohybujúcich sa telies na veľké vzdialenosti od nich.

Elektromagnetická interakcia

Elektrostatické pole (pole pevných nábojov)

Rozvoj fyziky po Newtonovi pridal k trom hlavným (dĺžka, hmotnosť, čas) veličinám elektrický náboj s rozmerom C. Na základe požiadaviek praxe založených na pohodlnosti merania bol však elektrický prúd s rozmerom I. často sa používa namiesto náboja ja = CT − 1 . Jednotkou náboja je coulomb a jednotkou prúdu je ampér.

Keďže náboj ako taký neexistuje nezávisle od telesa, ktoré ho nesie, elektrická interakcia telies sa prejavuje vo forme tej istej sily uvažovanej v mechanike, ktorá spôsobuje zrýchlenie. Pri elektrostatickej interakcii dvoch „bodových nábojov“ vo vákuu sa používa Coulombov zákon:

kde je vzdialenosť medzi nábojmi a ε 0 ≈ 8,854187817 10 −12 F/m. V homogénnej (izotropnej) látke v tomto systéme interakčná sila klesá faktorom ε, kde ε je dielektrická konštanta prostredia.

Smer sily sa zhoduje s čiarou spájajúcou bodové náboje. Graficky je elektrostatické pole zvyčajne znázornené ako obraz siločiar, čo sú imaginárne trajektórie, po ktorých by sa pohybovala nabitá častica bez hmotnosti. Tieto riadky začínajú na jednom a končia na druhom poplatku.

Elektromagnetické pole (jednosmerné pole)

Existenciu magnetického poľa rozpoznali už v stredoveku Číňania, ktorí používali „láskavý kameň“ – magnet, ako prototyp magnetického kompasu. Graficky je magnetické pole zvyčajne znázornené ako uzavreté siločiary, ktorých hustota (ako v prípade elektrostatického poľa) určuje jeho intenzitu. Historicky vizuálnym spôsobom vizualizácie magnetického poľa boli železné piliny, naliate napríklad na list papiera umiestnený na magnete.

Odvodené druhy síl

Elastická sila- sila vznikajúca pri deformácii telesa a pôsobiaca proti tejto deformácii. V prípade elastických deformácií je to potenciál. Elastická sila má elektromagnetickú povahu a je makroskopickým prejavom medzimolekulovej interakcie. Elastická sila smeruje proti posunutiu, kolmo na povrch. Vektor sily je opačný ako smer pohybu molekúl.

Trecia sila- sila vznikajúca pri vzájomnom pohybe pevných telies a odporujúca tomuto pohybu. Vzťahuje sa na disipatívne sily. Trecia sila má elektromagnetickú povahu a je makroskopickým prejavom medzimolekulovej interakcie. Vektor trecej sily smeruje opačne k vektoru rýchlosti.

Stredná sila odporu- sila generovaná pohybom pevné telo v kvapalnom alebo plynnom médiu. Vzťahuje sa na disipatívne sily. Odporová sila má elektromagnetickú povahu a je makroskopickým prejavom medzimolekulovej interakcie. Vektor sily odporu smeruje opačne k vektoru rýchlosti.

Sila normálnej podpornej reakcie- elastická sila pôsobiaca zo strany opory na telo. Nasmerované kolmo na povrch podpery.

sily povrchové napätie - sily vznikajúce na povrchu fázového úseku. Má elektromagnetickú povahu a je makroskopickým prejavom medzimolekulovej interakcie. Ťahová sila smeruje tangenciálne k rozhraniu; vzniká v dôsledku nekompenzovanej príťažlivosti molekúl nachádzajúcich sa na fázovej hranici molekulami, ktoré sa nenachádzajú na fázovej hranici.

Osmotický tlak

Van der Waalsove sily- elektromagnetické medzimolekulové sily vznikajúce polarizáciou molekúl a tvorbou dipólov. Van der Waalsove sily rýchlo klesajú s rastúcou vzdialenosťou.

zotrvačná sila je fiktívna sila zavedená do neinerciálnych vzťažných sústav, aby sa v nich naplnil druhý Newtonov zákon. Najmä v referenčnom rámci spojenom s rovnomerne zrýchleným telesom je sila zotrvačnosti nasmerovaná opačne k zrýchleniu. Od celkovej zotrvačnej sily možno pre pohodlie odlíšiť odstredivú silu a Coriolisovu silu.

Výsledný

Pri výpočte zrýchlenia telesa sa všetky sily, ktoré naň pôsobia, nahradia jednou silou, ktorá sa nazýva výslednica. Ide o geometrický súčet všetkých síl pôsobiacich na teleso. Pôsobenie každej sily v tomto prípade nezávisí od pôsobenia iných, to znamená, že každá sila udeľuje telu také zrýchlenie, aké by udelilo bez pôsobenia iných síl. Toto tvrdenie sa nazýva princíp nezávislosti pôsobenia síl (princíp superpozície).

pozri tiež

Zdroje

• Grigoriev V. I., Myakishev G. Ya. - „Sily v prírode“
• Landau, L. D., Lifshitz, E. M. Mechanika - 5. vydanie, stereotypné. - M .: Fizmatlit, 2004. - 224 s. - ("Teoretická fyzika", zväzok I). - .

Poznámky

1. Slovník pojmov. Observatórium Zeme. NASA. - "Sila - akákoľvek vonkajší faktor, ktorý spôsobuje zmenu pohybu voľného telesa alebo vznik vnútorných napätí v pevnom telese.(Angličtina)
2. Bronstein I. N. Semendyaev K. A. Príručka matematiky. M .: Vydavateľstvo "Nauka" Vydanie referenčnej fyzikálnej a matematickej literatúry. 1964.
3. Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, M. Prednášky o fyzike, zväzok 1 - Addison-Wesley, 1963.(Angličtina)

DEFINÍCIA

sila je vektorová veličina, ktorá je mierou pôsobenia iných telies alebo polí na dané teleso, v dôsledku čoho nastáva zmena stavu tohto telesa. V tomto prípade sa zmenou stavu rozumie zmena alebo deformácia.

Pojem sila sa vzťahuje na dve telá. Vždy môžete určiť teleso, na ktoré sila pôsobí, a teleso, z ktorého pôsobí.

Sila je charakterizovaná:

• modul;
• smer;
• bod aplikácie.

Modul a smer sily nezávisia od výberu .

Jednotkou sily v sústave SI je 1 Newton.

V prírode neexistujú žiadne hmotné telesá, ktoré by boli mimo vplyvu iných telies na ne, a preto sú všetky telesá pod vplyvom vonkajších alebo vnútorných síl.

Na teleso môže pôsobiť niekoľko síl súčasne. V tomto prípade platí princíp nezávislosti pôsobenia: pôsobenie každej sily nezávisí od prítomnosti alebo neprítomnosti iných síl; kombinované pôsobenie viacerých síl sa rovná súčtu nezávislých účinkov jednotlivých síl.

výsledná sila

V tomto prípade sa na opis pohybu telesa používa pojem výsledná sila.

DEFINÍCIA

výsledná sila je sila, ktorej pôsobenie nahrádza pôsobenie všetkých síl pôsobiacich na teleso. Alebo inými slovami, výslednica všetkých síl pôsobiacich na teleso sa rovná vektorovému súčtu týchto síl (obr. 1).

Obr.1. Definícia výsledných síl

Keďže pohyb telesa sa vždy uvažuje v nejakom súradnicovom systéme, je vhodné uvažovať nie samotnú silu, ale jej projekcie na súradnicové osi (obr. 2, a). V závislosti od smeru sily môžu byť jej projekcie pozitívne (obr. 2b) alebo negatívne (obr. 2c).

Obr.2. Priemet sily na súradnicové osi: a) na rovinu; b) na priamke (projekcia je kladná);
c) na priamke (projekcia je záporná)

Obr.3. Príklady ilustrujúce vektorové sčítanie síl

Často vidíme príklady ilustrujúce vektorové sčítanie síl: lampa visí na dvoch kábloch (obr. 3, a) - v tomto prípade je rovnováha dosiahnutá tým, že výslednica napínacích síl je kompenzovaná hmotnosťou lampa; tyč kĺže po naklonenej rovine (obr. 3, b) - pohyb nastáva v dôsledku výsledných síl trenia, gravitácie a reakcie podpory. Slávne riadky z bájky I.A. Krylov "a veci sú stále tam!" - tiež znázornenie rovnosti k nule výslednice troch síl (obr. 3, c).

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1