Какие силы бывают в физике: Открытый урок по физике. Тема: “Силы в природе”

Понятие силы в физике

Существует огромное разнообразие понятий «сила». Оно употребляется в различных областях науки и жизнедеятельности. Наиболее обширное определение дается в физике.

Определение 1

В физике сила представляет собой меру взаимодействия различных тел.

Все тела в окружающем мире взаимно влияют друг на друга. Подобное взаимодействие порождается определенными силами. Эти силовые процессы напрямую связаны:

• с изменением скорости;
• с деформацией тел.

Формула силы формирует определенную математическую модель, согласно которой происходит история исследования зависимости силы от основных параметров. Результатом исследований должны стать экспериментальные доказательства существования подобной зависимости.

Сила имеет в системе СИ собственную единицу измерения. Для определения этого показателя применяют специальное научное оборудование. Простейшим прибором при измерении силы является динамометр.

Это прибор сравнивает силу, которая действует на тело, с силой упругости пружины, установленной в силометре.

Сила является векторной величиной и определяется:

• точкой приложения;
• направлением действия;
• абсолютной величиной.

Определение 2

Сила в 1 ньютон (Н) – сила, под действием которой тело в 1 килограмм изменяет собственную скорость на 1 метр за одну секунду.

При описании силы в обязательном порядке указываются ее параметры.

Сила давления

Существует несколько видов взаимодействий, имеющих природное начало:

• гравитационное взаимодействие;
• электромагнитные взаимодействия;
• слабые и сильные взаимодействия.

Замечание 1

Гравитационные поля являются основой возникновения гравитационных сил.

Они окружают любое тело, которое имеет массу. Сила тяжести – это сила всемирного тяготения, включая ее разновидности. В настоящее время активно изучается взаимодействие гравитационных полей во Вселенной и исследования пока не могут дать точных ответов на многие вопросы, в том числе касательно природы возникновения и существования таких сил. Источник глобального поля пока найти не удалось, однако известно, что значительная часть гравитационных сил возникает из-за электромагнитного взаимодействия на атомном уровне. Как известно, все вещества состоят из атомов и молекул. Этот факт стал основой всех современных исследований в данной сфере.

Гравитационные силы при взаимодействии тел с поверхностью Земли оказывают давление. Сила давления определяется массой тела (m) и ее можно увидеть в формуле $P=mg$, где g – ускорение свободного падения. Эта величина имеет различные показатели на разных широтах планеты.

Сила вертикального давления равна по абсолютной величине, но противоположна относительно направления силы упругости. В таком случае формула силы будет меняться исходя из движения тела.

Вес тела обычно представляют в виде действия тела на опору после взаимодействия с Землей. Величина веса тела зависит от ускорения движения, которое происходит в вертикальном направлении. Увеличение веса наблюдается при изменении направления ускорения.

Оно должно действовать в противоположном направлении ускорению свободного падения. Уменьшение веса наблюдается при ускорении тела. Оно должно совпадать с направлением свободного падения.

Сила упругости

При деформации формы тела появляется еще одна сила. Она направлена на то, чтобы вернуть телу первоначальное состояние. Сила упругости может возникнуть при электрическом взаимодействии частиц. Деформации бывают двух основных видов: сжатие и растяжение. При растяжении происходит увеличении линейных размеров тела. Сжатие характеризуется обратным процессом, в ходе которого наблюдается уменьшение линейных размеров тела.

Формула силы упругости имеет следующий вид:

$Fy = kx$

Она используется только при упругих деформационных процессах.

Взаимодействие магнитного поля с током

Закон Ампера описывает влияние магнитного поля на проводник с током, который помещен в него.

Силовые проявления вызываются при взаимодействии магнитного поля и электрическим зарядом, находящегося в движении.

Сила Ампера определяется по формуле:

$F = IBlsinα$,

где:

• $I$ – сила тока в проводнике,
• $l$ – длина активной части проводника,
• $В$ – магнитная индукция.

Такая зависимость говорит о том, что вектор действия магнитного поля меняется при развороте проводника, а также при изменении направления тока.

Сила Лоренца

В исследовании элементарных частиц активно используются данные спектографов, где фиксируется уровень взаимодействия магнитного поля с зарядом. В подобном процессе возникает иная сила, которую охарактеризовал при помощи своего уравнения Лоренц. Она возникает при попадании в магнитное поле заряженной частицы, которая движется с определенной скоростью.

Сила Лоренца определяется формуле в виде:

$F = vBqsinα$, где:

• $v$ – модуль скорости частицы,
• $В$ – магнитная индукция поля,
• $q$ – электрический заряд изучаемой частицы.

Эта сила вызывает движение заряженной частицы по окружности.

Взаимодействие магнитного поля и вещества используется в циклотронах, где пытаются родить процесс термоядерной реакции, однако до сих пор не существует эффективного способа создания нового источника энергии.

Сила тока и работа силы

Определение 3

Сила тока – основная величина, которая характеризует протекание тока в проводнике.

Формула $I = q/t$, где $q$ – заряд, $t$ – время протекания, включает заряд, протекающий за единицу времени через поперечное сечение проводника.

Работой силы называют такую физическую величину, которая по численному составу равна произведению силы на перемещение. Она должна быть достигнута путем воздействия. Силовое воздействие на вещество сопровождается совершением работы.

Сила работы выражается следующей формулой $A = FScosα$, которая включает в себя величину силы. Само действие тела происходит при изменении скорости тела, а также возможной деформации. Это означает, что идут одновременные изменения энергии. Работа силы лежит в прямой зависимости от ее величины.

Физика Силы в природе. Гравитационное взаимодействие. Закон всемирного тяготения

Материалы к уроку

Конспект урока

   Много ли различных сил существует в природе?
На земле и вне ее существует огромное количество различных тел. Все они взаимодействуют по-разному. Так, например, яблоко с дерева падает на Землю; человек толкает тележку; нога человека бьет по мячу; эбонитовая палочка, которую потерли о мех, притягивает к себе легкие бумажки; магнит собирает вокруг себя железные опилки; проводник с током вращает стрелку компаса; Луна совершает вращательное движение вокруг Земли, а вместе они вращаются вокруг Солнца; взаимодействуют также звезды и звездные системы. Этот ряд примеров можно продолжать бесконечно долго. Означает ли это, что в природе существует бесконечное количество сил? Вовсе нет!

  В безграничных просторах Вселенной, на нашей планете и на любой другой, в любом веществе, в каждом живом организме, в атомах, в атомных ядрах и в мире элементарных частиц при взаимодействиях различных тел существуют четыре вида сил:
гравитационные, электромагнитные, ядерные (сильные) и слабые.
   Силы гравитации, или иными словами силы всемирного тяготения, действуют между всеми телами – все они притягиваются друг с другом. Но это притяжение может быть заметно только  лишь тогда, когда хотя бы одно из этих тел так велико, как, например, Земля или Луна. Иначе эти силы настолько малы, что ими можно пренебрегать.
Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными телами. Их действие очень разнообразно. В атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными. Велика их роль в атомах.
Ядерные силы заметны лишь внутри атомных ядер, они действуют только на очень малых расстояниях – в десятки раз меньших размеров атома. 
Слабые взаимодействия проявляются на еще меньших расстояниях. Они вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
   Ядерные силы – самые мощные в природе. В сотни раз меньше интенсивность электромагнитных сил, еще менее интенсивны слабые взаимодействия. Наименее мощные гравитационные силы.  
   Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют свой смысл.         В разделе механики мы рассмотрим только гравитационные и электромагнитные взаимодействия.
В механике обычно имеют дело с тремя видами сил: силами тяготения, силами упругости и силами трения. Силы упругости и трения имеют электромагнитную природу. 
Силы тяготения. Земной шар сообщает всем телам у поверхности Земли одно и то же ускорение – ускорение свободного падения. Но если земной шар сообщает телу ускорение, то согласно второму закону Ньютона он действует на тело с некоторой силой. Эту силу называют силой тяжести. 
  Из второго закона Ньютона, ускорение по модулю равно отношению силы, действующей на тело, к массе тела. 
Так как ускорение свободного падения не зависит от массы, то ясно, что сила тяжести должна быть равна произведению массы тела и ускорения свободного падения – постоянная для всех тел величина.
Подставляя это выражение для силы тяжести во второй закон
Ньютона, получаем, что для всех тел ускорение равно ускорению свободного падения. 
       Ньютон был первым человеком, который доказал, что причина падения дождевой капли на Землю, движение Луны и искусственных спутников вокруг Земли и планет вокруг звезд одна и та же. Это сила тяготения, которая действует между всеми телами во Вселенной.

   Ньютон рассуждал так, что брошенный на Землю камень отклонится под действием тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет наконец на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше. Продолжив свои рассуждения, Ньютон пришел к выводу, что только благодаря сопротивлению воздуха траектория камня, который был брошен с некоторой высоты с определенной начальной скоростью, обязательно становится такой, что камень падает на поверхность Земли. Иначе, камень мог бы двигаться вокруг нее подобно планетам и спутникам. Ньютон считал, что движение Луны вокруг Земли или движение всех планет вокруг Солнца является тоже свободным падением, которое будет продолжаться бесконечно долго.  Причиной такого падения может служить только лишь сила тяготения.
Как и любым другим телам, Земля должна сообщать Луне ускорение, которое не зависит от массы Луны. Траектория движения Луны достаточно хорошо известна, иными словами мы можем легко определить местоположение Луны относительно Земли в любой момент времени. Используя эти данные, можно определить ее ускорение. Оно оказывается примерно в 3600 или 60 в квадрате раз меньше, чем ускорение свободного падения у поверхности Земли. Расстояние до Луны приблизительно равно 60 земным радиусам. Отсюда нетрудно сделать вывод: ускорение, которое сообщает телам сила притяжения к Земле, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли. Где c1 – некоторый коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех тел.
     Ученые, исследуя движения планет, пришли к выводу, что это движение вызвано силой притяжения к Солнцу. Используя длительные кропотливые наблюдения датского астронома ТИхо БрАге, ИОганн КЕплер установил кинематические законы движения планет. Используя эти законы, Ньютон определил, что Солнце сообщает всем планетам ускорение, обратно пропорциональное квадрату расстояния от них до Солнца.
   Постоянный коэффициент c2 одинаков для любой планеты, но не совпадает с постоянным коэффициентом c1 для ускорения, который сообщается телам земным шаром.
   Из этого следует, что сила тяготения в обоих случаях сообщает всем телам ускорение, которое не зависит от массы этих тел, и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
   Учитывая тот факт, что сила всемирного тяготения сообщает всем телам одно и то же ускорение вне зависимости от их массы, то она должна быть пропорциональна массе тела, на которое она оказывает воздействие.   Но поскольку некоторое тело, к примеру, Земля действует на свой спутник с силой, пропорциональной массе спутника, то и сам спутник по третьему закону Ньютона должен действовать на Землю с той же силой. Причем эта сила должна быть пропорциональна массе Земли. Если сила тяготения является действительно универсальной, то со стороны данного тела на любое другое тело должна действовать сила, пропорциональная массе этого другого тела. Отсюда следует, что сила всемирного тяготения должна быть пропорциональна произведению масс тел, которые взаимодействуют друг с другом. Из этого вытекает формулировка закона всемирного тяготения:  Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности
 G в формуле закона всемирного тяготения является гравитационной постоянной.
  Впервые гравитационную постоянную удалось измерить английскому физику Генри Кавендишу в 1798 г.   Он получил следующее значение для гравитационной постоянной: 6,67 на десять в минус одиннадцатой степени метров квадратных на килограмм в квадрате.
Ускорение свободного падения тел зависит от географической широты. Одной из причин увеличения ускорения свободного падения при перемещении точки, где находится тело, от экватора к полюсам, является то, что земной шар немного сплюснут у полюсов и расстояние до центра Земли в этом месте несколько меньше, чем на экваторе. Еще одной важной причиной этого явления есть вращение самой Земли. 
        Самым необычным свойством гравитационных сил является то, что они сообщают всем телам, совершенно не завися от их масс, одинаковое ускорение. Чтобы лучше осознать это, представьте, что человек, ударяя ногой по футбольному мячу, придает ему такое же ускорение, что и тяжелой гире, которую он также ударит ногой. Разумеется, это невозможно.  Земля является именно таким «необыкновенным человеком» с небольшой разницей, которая заключается в том, что действие ее на тела не носит характера кратковременного удара, а продолжается непрерывно в течение многих лет.
      Это необычное свойство гравитационных сил объясняется тем, что эти силы пропорциональны массам обоих взаимодействующих тел. Этот факт обязательно вызовет удивление, если над ним хорошо задуматься. Ведь масса тела, входящая во второй закон Ньютона, определяет инертные свойства тела, иными словами его способность приобретать определенное ускорение под действием данной силы. Эту массу естественно назвать инертной массой.
Массу, которая определяет способность тел притягиваться друг к другу, называют гравитационной массой.
Из механики Ньютона вовсе не следует, что инертная и гравитационная массы это одно и то же. Это равенство подтверждается благодаря опыту. Оно означает, что можно говорить просто о массе тела как о количественной мере как инертных, так и гравитационных его свойств.
   Закон всемирного тяготения является одним из наиболее универсальных законов природы. Он справедлив для любых тел, которые обладают массой.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Классификация сил в природе физика. Силы в природе. Инерциальные системы отсчета

Классификация сил в природе физика.

Силы в природе. Инерциальные системы отсчета

Чтобы понять, стоит ли продолжать писать короткие этюды, объясняющие буквально на пальцах разные физические явления и процессы. Результат развеял мои сомнения. Продолжу. Но чтобы подойти к довольно сложным явлениям придется делать отдельные последовательные серии постов. Так, чтобы дойти до рассказа об устройстве и эволюции Солнца и других типов звезд придется начать с описания типов взаимодействия между элементарными частичами. С этого и начнем. Без формул.
Всего в физике известно четыре типа взаимодействия. Хорошо знакомые все гравитационное и электромагнитное . И почти неизвестные широкой публике сильное и слабое . Опишем их последовательно.
Гравитационное взаимодействие . Человек знаком с ним издревле. Ибо постоянно находится в поле тяжести Земли. А из школьной физики мы знаем, что сила гравитационного взаимодействия между телами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Под воздействием гравитационной силы Луна вращается вокруг Земли, Земля и другие планеты – вокруг Солнца, а последнее вместе с другими звездами – вокруг центра нашей Галактики.
Довольно медленное убывание силы гравитационного взаимодействия с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния) заставляет физиков говорить об этом взаимодействии как о дальнодействующем . Кроме того, действующие между телами силы гравитационного взаимодействия являются только силами притяжения.
Электромагнитное взаимодействие . В самом простейшем случае электростатического взаимодействия, как мы знаем из школьной физики, сила притяжения или отталкивания между электрически заряженными частицами пропорциональна произведению их электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Что очень похоже на закон гравитационного взаимодействия. Отличие лишь в том, что электрические заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными – притягиваются. Поэтому электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, физики называют дальнодействующим .
В то же время электромагнитное взаимодействие сложнее гравитационного. Из школьной физики мы знаем, что электрическое поле создается электрическими зарядами, магнитных зарядов в природе не существует, а магнитное поле создается электрическими токами.
На самом деле электрическое поле может создаваться еще и изменяющимся во времени магнитным полем, а магнитное поле – изменяющимся во времени электрическим полем. Последнее обстоятельство дает возможность существовать электромагнитному полю вообще без электрических зарядов и токов. И эта возможность реализуется в виде электромагнитных волн. Например, радиоволн и квантов света.
Из-за одинаковой зависимости от расстояния электрических и гравитационных сил естественно попытаться сравнить их интенсивности. Так, для двух протонов силы гравитационного притяжения оказываются в 10 в 36-й степени раз (миллиард миллиардов миллиардов миллиардов раз) слабее сил электростатического отталкивания. Поэтому в физике микромира гравитационным взаимодействием вполне обоснованно можно пренебрегать.
Сильное взаимодействие . Это – близкодействующие силы. В том смысле, что они действуют на расстояниях только порядка одного фемтометра (одной триллионной части миллиметра), а на больших расстояниях их влияние практически не ощущаются. Более того, на расстояниях порядка одного фемтометра сильное взаимодействие примерно в сотню раз интенсивнее электромагнитного.
Именно поэтому одинаково электрически заряженные протоны в атомном ядре не отталкиваются друг от друга электростатическими силами, а удерживаются вместе сильным взаимодействием. Поскольку размеры протона и нейтрона составляют около одного фемтометра.
Слабое взаимодействие . Оно действительно очень слабое. Во-первых, оно действует на расстояниях в тысячу раз меньших одного фемтометра. А на больших расстояниях практически не ощущается. Поэтому оно, как и сильное, принадлежит к классу близкодействующих . Во-вторых, его интенсивность примерно в сотню миллиардов раз меньше интенсивности электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие отвечает за некоторые распады элементарных частиц. В том числе – свободных нейтронов.
Существует лишь один тип частиц, которые взаимодействуют с веществом только через слабое взаимодействие. Это – нейтрино. Через каждый квадратный сантиметр нашей кожи ежесекундно проходит почти сотня миллиардов солнечных нейтрино. И мы их совершенно не замечаем. В том смысле, что за время нашей жизни вряд ли несколько штук нейтрино провзаимодействует с веществом нашего тела.
Говорить же о теориях, описывающих все эти типы взаимодействий не будем. Ибо для нас важна качественная картина мира, а не изыски теоретиков.

Необходимо знать точку приложения и направление каждой силы. Важно уметь определить какие именно силы действуют на тело и в каком направлении. Сила обозначается как , измеряется в Ньютонах. Для того, чтобы различать силы, их обозначают следующим образом

Ниже представлены основные силы, действующие в природе. Придумывать не существующие силы при решении задач нельзя!

Сил в природе много. Здесь рассмотрены силы, которые рассматриваются в школьном курсе физики при изучении динамики. А также упомянуты другие силы, которые будут рассмотрены в других разделах.

Сила тяжести

На каждое тело, находящееся на планете, действует гравитация Земли . Сила, с которой Земля притягивает каждое тело, определяется по формуле

Точка приложения находится в центре тяжести тела. Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз .

Сила трения

Познакомимся с силой трения. Эта сила возникает при движении тел и соприкосновении двух поверхностей. Возникает сила в результате того, что поверхности, если рассмотреть под микроскопом, не являются гладкими, как кажутся. Определяется сила трения по формуле:

Сила приложена в точке соприкосновения двух поверхностей. Направлена в сторону противоположную движению.

Сила реакции опоры

Представим очень тяжелый предмет, лежащий на столе. Стол прогибается под тяжестью предмета. Но согласно третьему закону Ньютона стол воздействует на предмет с точно такой же силой, что и предмет на стол. Сила направлена противоположно силе, с которой предмет давит на стол. То есть вверх. Эта сила называется реакцией опоры. Название силы “говорит” реагирует опора . Эта сила возникает всегда, когда есть воздействие на опору. Природа ее возникновения на молекулярном уровне. Предмет как бы деформировал привычное положение и связи молекул (внутри стола), они, в свою очередь, стремятся вернуться в свое первоначальное состояние, “сопротивляются”.

Абсолютно любое тело, даже очень легкое (например,карандаш, лежащий на столе), на микроуровне деформирует опору. Поэтому возникает реакция опоры.

Специальной формулы для нахождения этой силы нет. Обозначают ее буквой , но эта сила просто отдельный вид силы упругости, поэтому она может быть обозначена и как

Сила приложена в точке соприкосновения предмета с опорой. Направлена перпендикулярно опоре.

Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра

Сила упругости

Это сила возникает в результате деформации (изменения первоначального состояния вещества). Например, когда растягиваем пружину, мы увеличиваем расстояние между молекулами материала пружины. Когда сжимаем пружину – уменьшаем. Когда перекручиваем или сдвигаем. Во всех этих примерах возникает сила, которая препятствует деформации – сила упругости.

Закон Гука

Сила упругости направлена противоположно деформации.

Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра

При последовательном соединении, например, пружин жесткость рассчитывается по формуле

При параллельном соединении жесткость

Жесткость образца. Модуль Юнга.

Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества. Это постоянная величина, зависящая только от материала, его физического состояния. Характеризует способность материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия. Значение модуля Юнга табличное.

Подробнее о свойствах твердых тел .

Вес тела

Вес тела – это сила, с которой предмет воздействует на опору. Вы скажете, так это же сила тяжести! Путаница происходит в следующем: действительно часто вес тела равен силе тяжести, но это силы совершенно разные. Сила тяжести – сила, которая возникает в результате взаимодействия с Землей. Вес – результат взаимодействия с опорой. Сила тяжести приложена в центре тяжести предмета, вес же – сила, которая приложена на опору (не на предмет)!

Формулы определения веса нет. Обозначается эта силы буквой .

Сила реакции опоры или сила упругости возникает в ответ на воздействие предмета на подвес или опору, поэтому вес тела всегда численно одинаков силе упругости, но имеет противоположное направление.

Сила реакции опоры и вес – силы одной природы, согласно 3 закону Ньютона они равны и противоположно направлены. Вес – это сила, которая действует на опору, а не на тело. Сила тяжести действует на тело.

Вес тела может быть не равен силе тяжести. Может быть как больше, так и меньше, а может быть и такое, что вес равен нулю. Это состояние называетсяневесомостью . Невесомость – состояние, когда предмет не взаимодействует с опорой, например, состояние полета: сила тяжести есть, а вес равен нулю!

Определить направление ускорения возможно, если определить, куда направлена равнодействующая сила

Обратите внимание, вес – сила, измеряется в Ньютонах. Как верно ответить на вопрос: “Сколько ты весишь”? Мы отвечаем 50 кг, называя не вес, а свою массу! В этом примере, наш вес равен силе тяжести, то есть примерно 500Н!

Перегрузка – отношение веса к силе тяжести

Сила Архимеда

Сила возникает в результате взаимодействия тела с жидкость (газом), при его погружении в жидкость (или газ). Эта сила выталкивает тело из воды (газа). Поэтому направлена вертикально вверх (выталкивает). Определяется по формуле:

В воздухе силой Архимеда пренебрегаем.

Если сила Архимеда равна силе тяжести, тело плавает. Если сила Архимеда больше, то оно поднимается на поверхность жидкости, если меньше – тонет.

Электрические силы

Существуют силы электрического происхождения. Возникают при наличии электрического заряда. Эти силы, такие как сила Кулона , сила Ампера , сила Лоренца , подробно рассмотрены в разделе Электричество .

Схематичное обозначение действующих на тело сил

Часто тело моделируют материальной точкой . Поэтому на схемах различные точки приложения переносят в одну точку – в центр, а тело изображают схематично кругом или прямоугольником.

Для того, чтобы верно обозначить силы, необходимо перечислить все тела, с которыми исследуемое тело взаимодействует. Определить, что происходит в результате взаимодействия с каждым: трение, деформация, притяжение или может быть отталкивание. Определить вид силы, верно обозначить направление. Внимание! Количество сил будет совпадать с числом тел, с которыми происходит взаимодействие.

Главное запомнить

Силы трения

Различают внешнее (сухое) и внутреннее (вязкое) трение. Внешнее трение возникает между соприкасающимися твердыми поверхностями, внутреннее – между слоями жидкости или газа при их относительном движении. Существует три вида внешнего трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Трение качения определяется по формуле

Сила сопротивления возникает при движении тела в жидкости или в газе. Величина силы сопротивления зависит от размеров и формы тела, скорости его движения и свойств жидкости или газа. При небольших скоростях движения сила сопротивления пропорциональна скорости тела

При больших скоростях пропорциональна квадрату скорости

Взаимосвязь силы тяжести, закона гравитации и ускорения свободного падения

Рассмотрим взаимное притяжение предмета и Земли. Между ними, согласно закону гравитации возникает сила А сейчас сравним закон гравитации и силу тяжести

Величина ускорения свободного падения зависит от массы Земли и ее радиуса! Таким образом, можно высчитать, с каким ускорением будут падать предметы на Луне или на любой другой планете, используя массу и радиус той планеты.

Расстояние от центра Земли до полюсов меньше, чем до экватора. Поэтому и ускорение свободного падения на экваторе немного меньше, чем на полюсах. Вместе с тем, следует отметить, что основной причиной зависимости ускорения свободного падения от широты местности, является факт вращения Земли вокруг своей оси.

При удалении от поверхности Земли сила земного тяготения и ускорения свободного падения изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли.

Которая характеризует меру, с которой на тело воздействуют другие тела либо поля, называется силой. Согласно второму ускорение, которое получает тело, прямо пропорционально действующей на него силе. Соответственно, чтобы изменить скорость тела, необходимо воздействовать на него силой. Поэтому верным является утверждение о том, что силы в природе служат источником любого движения.

Инерциальные системы отсчета

Силы в природе являются векторными величинами, то есть они имеют модуль и направление. Две силы могут считаться одинаковыми лишь тогда, когда равны их модули, а их направления совпадают.

Если на тело не действуют силы, а также в том случае, когда геометрическая сумма сил, воздействующих на данное тело (эта сумма часто называется равнодействующей всех сил), равна нулю, то тело либо остается в состоянии покоя, либо продолжает движение в одном направлении с постоянной скоростью (то есть движется по инерции). Это выражение справедливо для инерциальных систем отсчета. Существование таких систем постулируется первым законом Ньютона. В природе таких систем нет, но они являются удобной Тем не менее, часто при решении практических задач систему отсчета, связанную с Землей, можно считать инерциальной.

Земля – инерциальная и неинерциальная система отсчета

В частности при строительных работах, при расчете движения автомобилей и плавательного транспорта предположения о том, что Земля – инерциальная система отсчета, вполне достаточно, чтобы с необходимой для практического решения задач точностью описать действующие силы.

В природе также существуют задачи, не допускающие такого предположения. В частности, это относится к космическим проектам. При старте ракеты строго вверх она вследствие вращения Земли осуществляет видимое движение не только вдоль вертикали, но и в горизонтальном направлении против вращения Земли. В этом движении проявляется неинерциальность системы отсчета, связанной с нашей планетой.

Физически на ракету не действуют силы, отклоняющие ее. Тем не менее, для описания движения ракеты удобно использовать Эти силы не существуют физически, но предположение об их существовании позволяет представить неинерциальную систему инерциальной. Другими словами, при расчетах траектории ракеты считают, что система отсчета «Земля» является инерциальной, но при этом на ракету действует некоторая сила в горизонтальном направлении. Эта сила называется сила Кориолиса. В природе ее действие становится заметным, когда речь идет о телах, движущихся на некоторой высоте относительно нашей планеты в течение довольно большого времени либо с большой скоростью. Так, ее учитывают, не только описывая движение ракет и спутников, но и при расчетах движения артиллерийских снарядов, самолетов и т.д.

Природа взаимодействий

Все силы в природе по характеру своего происхождения относятся к четырем фундаментальным гравитационное, слабое и сильное). В макромире заметным является лишь воздействие гравитации и электромагнитных сил. Слабые и сильные взаимодействия влияют на процессы, происходящие внутри атомных ядер и субатомных частиц.

Самым распространенным примером гравитационного взаимодействия является Это сила, с которой Земля действует на окружающие ее тела.

Электромагнитные силы, помимо очевидных примеров, включают в себя все упругие, связанные с давлением взаимодействия, которые тела оказывают друг на друга. Соответственно, такая сила природы, как вес (сила, с которой тело действует на подвес либо опору), имеет электромагнитную природу.

Все известные взаимодействия и соответственно силы в природе сводятся к следующим четырем типам: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

Гравитационное взаимодействие свойственное всем телам во Вселенной, проявляется в виде взаимного притяжения всех тел в природе, независимо от среды в которой они находятся, в микромире элементарных частиц при обычных энергиях роли не играет. Ярким примером является притяжение Землей. Это взаимодействие подчиняется закону всемирного тяготения : сила взаимодействия между двумя материальными точками массами m 1 и m 2 прямо пропорциональная произведению этих масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Математически этот закон имеет вид:

где G = 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 – гравитационная постоянная, которая определяет силу притяжения между двумя одинаковыми телами с массами m 1 = m 2 = 1 кг на расстоянии r = 1 м.

Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие между неподвижными и подвижными электрическими зарядами. Этим взаимодействием в частности обусловлены силы межмолекулярного и межатомного взаимодействия.

Взаимодействие между двумя точечными неподвижными зарядами q 1 и q 2 подчиняется закону Кулона:

,

где k = 9 10 9 Н м 2 /Кл 2 – коэффициент пропорциональности.

Если заряд движется в магнитном поле, то на него действует сила Лоренца:

v – скорость заряда, В – вектор магнитной индукции.

C ильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре атома. Слабое отвечает за большинство распадов элементарных частиц, а также за процессы взаимодействия нейтрино с веществом.

В классической механике мы имеем дело с гравитационными и электромагнитными силами, которые приводят к появлению сил притяжения, сил упругости, сил трения и других.

Сила тяжести характеризует взаимодействие тела с Землей.

Вблизи Земли все тела падают приблизительно с одинаковым ускорением g  9,8 м/с 2 , которое называется ускорением свободного падения . Отсюда следует, что вблизи Земли на каждое тело действует сила тяжести, которая направлена к центру Земли и равна произведению массы тела на ускорение свободного падения.

вблизи поверхности Земле поле однородно (g = const ). Сравнивая
с
, получим, что
.

Сила реакции опоры – сила , с которой опора действует на тело. Она приложена к телу и перпендикулярна поверхности соприкосновения. Если тело лежит на горизонтальной поверхности, то сила реакции опоры численно равна силе тяжести. Рассмотрим 2 случая.

1. Рассмотрим рис.

Пусть тело покоится, тогда на него действует две силы. Согласно 2 закону Ньютона

Найдем проекции этих сил на ось у и получим, что

2. Пусть теперь тело находится на наклонной плоскости, составляющей угол с горизонтом (см. рис.).

Рассмотрим случай, когда тело будет покоиться, тогда на тело будут действовать две силы, уравнение движения выглядит аналогично первому случаю. Записав 2 закон Ньютона в проекции на ось у, получим, что сила реакции опоры численно равна проекции силы тяжести на перпендикуляр к этой поверхности

Вес тела – сила, с которой действует тело на опору или подвес. Вес тела равен по модулю силе реакции опоры и направлен противоположно

Часто путают силу тяжести и вес. Это обусловлено тем, что в случае неподвижной опоры эти силы совпадают по величине и по направлению Однако надо помнить, что эти силы приложены к разным телам: сила тяжести приложена к самому телу, вес приложен к подвесу или опоре. Кроме того, сила тяжести всегда равна mg, независимо от того покоится тело или движется, сила веса зависит от ускорения, с которым движутся опора и тело, причем она может быть как больше, так и меньше mg, в частности, в состоянии невесомости она обращается в нуль.

Сила упругости . Под действием внешних сил может происходить изменение формы тела – деформация. Если после прекращения действия силы форма тела возобновляется, деформация называется упругой . Для упругой деформации справедлив закон Гука:

x – удлинение тела вдоль оси х , k – коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом упругости .

При непосредственном соприкосновении тел помимо сил упругости могут возникать силы и другого типа, так называемые силы трения.

Силы трения .

Силы трения бывают двух видов:

Сила трения покоя.

Сила трения, обусловленная движением тел.

Сила трения покоя – сила, с которой действует поверхность на покоящееся на ней тело в направлении, противоположном приложенной к телу силе (см. рис) и равная ей по модулю

Силы трения 2 типа появляются при перемещении соприкасающихся тел или частей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называют внешним. Трение между частями одного и того же сплошного тела (жидкость или газ), носит название внутреннего.

Сила трения скольжения действует на тело в процессе его перемещения по поверхности другого тела и равна произведению коэффициента трения  между этими телами на силу реакции опоры N и направлена в сторону, противоположную относительной скорости движения этого тела

F = N

Силы трения играют очень большую роль в природе. В нашей повседневной жизни трение нередко оказывается полезным. Например, затруднения которые испытывают пешеходы и транспорт во время гололедицы, когда трение между покрытием дороги и подошвами пешеходов или колесами транспорта значительно уменьшается. Не будь сил трения, мебель пришлось бы прикреплять к полу, как на судне во время качки, ибо она при малейшей негоризонтальности пола сползла бы в направлении покатости.

Закон сохранения импульса

Замкнутой (изолированной) системой тел называют такую систему, тела которой не взаимодействуют с внешними телами или если равнодействующая внешних сил равна нулю.

Если на систему материальных точек не действуют внешние силы, то есть система изолирована (замкнутая ), из (3.12) выплывает, что

,

(3.13)

Мы получили фундаментальный закон классической физики – закон сохранения импульса: в изолированной (замкнутой) системе суммарный импульс остается величиной постоянной. Для того, чтобы выполнялся закон сохранения импульса достаточно, чтобы система была замкнута.

Закон сохранения импульса является фундаментальным законом природы не знающим исключений.

В нерелятивистском случае можно ввести понятие центра масс (центра инерции) системы материальных точек , под которым понимают воображаемую точку, радиус-вектор которой , выражается через радиусы векторы материальных точек по формуле:

(3.14)

Найдем скорость центра масс в данной системе отсчета, взяв производную по времени от соотношения (3.14)

. (3.14)

Импульс системы равняется произведению массы системы на скорость ее центра инерции.

. (3.15)

Понятие центра масс позволяет придать уравнению
другую форму, которая часто оказывается более удобной. Для этого достаточно учесть, что масса системы есть величина постоянная. Тогда

(3.16)

где – сумма всех внешних сил, которые действуют на систему. Уравнение (3.16) – уравнение движенияцентра инерции системы. Теорема о движении центра масс гласит: центр масс движется как материальная точка, масса которой равна суммарной массе всей системы, а действующая сила – геометрической сумме всех внешних сил, действующих на систему .

Если система замкнута, то
. В этом случае уравнение (3.16) переходит в
, из которого следуетV=const. Центр масс замкнутой системы движется прямолинейно и равномерно.

фундаментальная сила | Определение, список и факты

Ключевые люди:

Юкава Хидэки Мартинус Дж.Г. Вельтман Герардус ’т Хофт

Похожие темы:

электромагнетизм сила тяжести сильная сила слабое взаимодействие гравитация

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

фундаментальная сила , также называемая фундаментальным взаимодействием , в физике любая из четырех основных сил — гравитационная, электромагнитная, сильная и слабая — которые управляют взаимодействием объектов или частиц и распадом определенных частиц. Все известные силы природы можно отнести к этим фундаментальным силам. Фундаментальные силы характеризуются на основе следующих четырех критериев: типы частиц, на которые действует сила, относительная сила силы, диапазон действия силы и природа частиц, передающих силу.

Гравитация и электромагнетизм были известны задолго до открытия сильных и слабых взаимодействий, потому что их воздействие на обычные объекты легко наблюдать. Сила гравитации, систематически описанная Исааком Ньютоном в 17 веке, действует между всеми объектами, имеющими массу; он заставляет яблоки падать с деревьев и определяет орбиты планет вокруг Солнца. Электромагнитная сила, получившая научное определение Джеймса Клерка Максвелла в 19 веке, отвечает за отталкивание подобных и притяжение противоположных электрических зарядов; она также объясняет химическое поведение материи и свойства света. Сильные и слабые взаимодействия были обнаружены физиками в 20 веке, когда они, наконец, исследовали ядро ​​атома. Сильное взаимодействие действует между кварками, составляющими все субатомные частицы, включая протоны и нейтроны. Остаточное воздействие сильного взаимодействия связывает вместе протоны и нейтроны атомного ядра, несмотря на сильное отталкивание положительно заряженных протонов друг от друга. Слабое взаимодействие проявляется в некоторых формах радиоактивного распада и в ядерных реакциях, питающих Солнце и другие звезды. Электроны относятся к элементарным субатомным частицам, на которые действует слабое, но не сильное взаимодействие.

Подробнее по этой теме

субатомная частица: основные силы и частицы-посредники

В предыдущем разделе этой статьи был представлен обзор основных вопросов физики элементарных частиц, включая четыре фундаментальных взаимодействия…

Четыре силы часто описываются в соответствии с их относительной силой. Сильная сила считается самой мощной силой в природе. За ним в порядке убывания следуют электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. Несмотря на свою силу, сильное взаимодействие не проявляется в макроскопической вселенной из-за его чрезвычайно ограниченного диапазона. Он ограничен рабочим расстоянием около 10 ⁻¹⁵ метров — примерно диаметр протона. Когда две частицы, чувствительные к сильному взаимодействию, проходят на этом расстоянии, велика вероятность их взаимодействия. Диапазон слабого взаимодействия еще короче. Частицы, затронутые этой силой, должны пройти в пределах 10 ⁻¹⁷ метров друг от друга, чтобы взаимодействовать, и вероятность того, что они это сделают, мала даже на таком расстоянии, если только частицы не обладают высокими энергиями. Напротив, гравитационные и электромагнитные силы действуют в бесконечном диапазоне. Иными словами, гравитация действует между всеми объектами вселенной, независимо от того, насколько далеко они друг от друга, и электромагнитная волна, такая как свет от далекой звезды, распространяется в пространстве, не уменьшаясь, пока не встретит какую-нибудь частицу, способную ее поглотить.

В течение многих лет физики пытались показать, что четыре основные силы являются просто различными проявлениями одной и той же фундаментальной силы. Наиболее успешной попыткой такого объединения является электрослабая теория, предложенная в конце 1960-х Стивеном Вайнбергом, Абдусом Саламом и Шелдоном Ли Глэшоу. Эта теория, включающая квантовую электродинамику (квантовую теорию электромагнетизма поля), рассматривает электромагнитное и слабое взаимодействие как два аспекта более основного электрослабого взаимодействия, которое передается четырьмя частицами-носителями, так называемыми калибровочными бозонами. Одна из этих частиц-носителей — фотон электромагнетизма, а остальные три — электрически заряженный W 9Частицы 0035 + и W ⁻ и нейтральная частица Z ⁰ связаны со слабым взаимодействием. В отличие от фотона, эти слабые калибровочные бозоны массивны, и именно масса этих частиц-носителей сильно ограничивает эффективный диапазон действия слабого взаимодействия.

В 1970-х годах исследователи сформулировали теорию сильного взаимодействия, по структуре аналогичную квантовой электродинамике. Согласно этой теории, известной как квантовая хромодинамика, сильное взаимодействие передается между кварками калибровочными бозонами, называемыми глюонами. Как и фотоны, глюоны не имеют массы и движутся со скоростью света. Но они отличаются от фотонов в одном важном отношении: они несут так называемый «цветовой» заряд — свойство, аналогичное электрическому заряду. Глюоны могут взаимодействовать друг с другом из-за цветового заряда, который в то же время ограничивает их эффективный диапазон.

Исследователи стремятся разработать всестороннюю теорию, которая объединит все четыре основные силы природы. Однако до сих пор гравитация остается за рамками попыток создания таких единых теорий поля.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Текущее физическое описание фундаментальных взаимодействий воплощено в Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает свойства всех фундаментальных частиц и их взаимодействий. Графические изображения влияния фундаментальных сил на поведение элементарных субатомных частиц включены в диаграммы Фейнмана.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и дополнена Эриком Грегерсеном.

Понимание нормальной силы — физика для старших классов

Все ресурсы по физике для старших классов

6 диагностических тестов 233 практических теста Вопрос дня Карточки Learn by Concept

Справка по физике для старших классов » Силы » Удельные силы » Понимание нормальной силы

Какой закон доказывает, что нормальная сила, действующая на объект, всегда будет перпендикулярна поверхности, на которой он находится, и что формула будет такой?

Возможные ответы:

Второй закон термодинамики

Ни один из этих законов

Первый закон Ньютона

Второй закон

New Пояснение:

Третий закон Ньютона гласит, что для каждой силы существует равная и противоположная сила: для объекта, лежащего на ненаклонной плоскости, сила тяжести направлена ​​прямо вниз, а нормальная сила направлена ​​прямо вверх.

(Для ненаклонных плоскостей  по-прежнему работает, просто используйте  для вашего, поскольку косинус  равно .)

В нематематических терминах нормальная сила – это то, что удерживает нас от погружения в землю: мы испытываем силу гравитации и все же мы не втянуты в земную кору. Почему? Потому что объект, на который мы стоим, оказывает на наши ноги равную, но противоположную силу.

Этот принцип по-прежнему применим к объектам на наклонной плоскости. По мере увеличения угла плоскости сила тяжести делится. Гравитация заставляет объект двигаться вниз и горизонтально вдоль поверхности самолета. Нормальная сила по-прежнему должна противодействовать нисходящей части силы тяжести, но она будет меньше общей силы тяжести, поскольку объект скользит горизонтально. Это требует, чтобы мы использовали член косинуса, чтобы уменьшить общую нормальную силу. В конце концов, если угол наклона достаточно увеличится, мы примем , что равно нулю; если объект находится в свободном падении (плоскость вертикальна), то нормальной силы нет.

Сообщить об ошибке

Предмет неподвижно лежит на столе. Если объект имеет массу , какая нормальная сила действует на объект?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Пояснение:

Нормальная сила, действующая на объект, покоящийся на плоской поверхности, равна силе тяжести, действующей на этот объект. В форме уравнения это означает .

Используйте второй закон Ньютона (), чтобы найти гравитационную силу, используя ускорение свободного падения в качестве  .

Поскольку нормальная сила противоположна гравитационной, мы можем видеть, что .

Сообщить об ошибке

Человек пытается поднять коробку с силой . Какова нормальная сила, действующая на ящик, когда человек поднимает его?

Дайте ответ с правильным количеством значащих цифр.

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Объяснение:

Глядя на наши заданные значения, мы видим, что каждый термин имеет только одну значащую цифру, так как нули перед десятичной дробью не имеют значения. Мы можем сразу определить, что наш ответ также будет иметь одну значащую цифру, однако для обеспечения точности мы будем округлять только после окончательного расчета.

Нормальная сила, действующая на ящик, равна и противоположна весу ящика. Когда ящик стоит на ровной поверхности, этот член равен силе тяжести.

Используйте нашу заданную массу и ускорение свободного падения, чтобы найти нормальную силу коробки.

Это значение равно общей силе, воздействующей на коробку вверх и противодействующей ее весу. Когда человек поднимает коробку, он воспринимает часть этой направленной вверх силы, уменьшая обычную силу.

Найдите окончательную нормальную силу, вычитая силу человека из общей направленной вверх силы.

Наши данные допускают только одну значащую цифру, поэтому мы должны округлить в меньшую сторону.

Сообщить об ошибке

Если объект, покоящийся на столе, весит , с какой силой стол действует на объект?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Объяснение:

Нормальная сила определяется как сила, с которой поверхность действует на объект. Если объект покоится, результирующая сила, действующая на объект, равна нулю; следовательно, направленная вниз сила (вес) должна быть равна восходящей силе (нормальной силе).

Поскольку вес действует в направлении вниз, он будет отрицательным. Общая сумма сил должна быть равна нулю, чтобы объект находился в состоянии покоя.

Это также соответствует третьему закону Ньютона, согласно которому нормальная сила будет равна и противоположна силе веса.

Сообщить об ошибке

Деревянный куб лежит на столе. Куб имеет массу 100 кг. Какова величина и направление нормальной силы?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Объяснение:

Нормальная сила — это сила, с которой стол давит на блок. Если сила тяжести, действующая на блок, толкает блок вниз, то нормальная сила должна толкать прямо вверх, чтобы удерживать блок в покое. Поскольку блок не движется, эти две силы должны быть равны и противоположны друг другу, чтобы результирующая сила равнялась нулю.

Так как нормальная сила толкает вверх, она будет положительной. (сила тяжести будет отрицательной).

 

Сообщить об ошибке

Ящик стоит на пандусе под углом 30 градусов. Если ящик имеет вес 50 Н, какую нормальную силу испытывает ящик?

Возможные ответы:

Правильный ответ:

Пояснение:

Правильный ответ: 43N. Поскольку ящик находится под наклоном, нормальная сила уравновешивается составляющей силы тяжести, перпендикулярной поверхности наклона.

Обратите внимание, что нормальная сила направлена ​​вверх (положительно), а ускорение свободного падения и сила тяжести направлены вниз (отрицательно).

Нам дан вес ящика (обратите внимание, что он будет направлен вниз и поэтому будет отрицательным):

Используйте это, чтобы найти нормальную силу.

Сообщить об ошибке

Нормальная сила  всегда действует __________.

Возможные ответы:

вдоль вертикальной оси

перпендикулярно поверхности контакта

прямо вверх

против силы тяжести

Правильный ответ:

506 90 перпендикулярно поверхности контакта Объяснение:

Нормальная сила всегда действует перпендикулярно поверхности контакта. Он может действовать против силы тяжести или любой другой силы, которая прижимает объект к поверхности.

Думайте о нормальной силе как о силе, которая удерживает поверхность твердой; без нормальной силы объект прошел бы прямо через поверхность. Имея это в виду, представьте себе книгу, которую вы прижимаете к стене в горизонтальном направлении так, чтобы она находилась в равновесии и не скользила по стене. В этом случае нормальная сила действует в противовес вашей толкающей силе вдоль горизонтальной оси и перпендикулярно силе тяжести. Другой пример — любой объект, помещенный на наклонную плоскость; в этой системе нормальная сила будет действовать перпендикулярно наклону и будет противодействовать только части гравитационной силы.

Сообщить об ошибке

Уведомление об авторских правах

Все ресурсы по физике для старших классов

6 Диагностические тесты 233 практических теста Вопрос дня Карточки Изучите концепцию

Что такое Силы? (физика) | Наука

Хотя вы, вероятно, знакомы со словом «сила» и слышали, как оно используется в повседневных разговорах («У меня не было выбора — он заставил меня сделать это!»), знаете ли вы физическое определение силы?

В этой статье вы узнаете не только, что такое сила на самом деле, но и откуда взялась эта идея и как она используется в физике.

Изменение движения

Чтобы сформировать правильное физическое мышление для понимания сил, вспомните, что вы знаете о движении. Вы можете описать положение объекта (местоположение в пространстве) и можете описать, как это положение изменяется во времени; Скорость изменения положения в единицу времени равна скорости ​. Вы также можете описать, как изменяется эта скорость — скорость изменения скорости в единицу времени называется 9.0097 ускорение ​.

Эти физические величины — положение, скорость и ускорение — являются векторными величинами, то есть с ними связаны величина и направление.

Если объект находится в состоянии покоя, например, камень на тротуаре, вы, вероятно, достаточно уверены, что он останется там, пока что-то не заставит его двигаться. Либо кто-то, идущий по тротуару, толкает его ногой, либо камень достаточно легкий, чтобы его толкнул сильный ветер. Когда это происходит, его движение меняется. Физическая величина, которая вызывает это изменение, как мы узнаем, есть сила.

Вероятно, у вас есть некоторое представление о том, что некоторые объекты труднее перемещать, чем другие. Представьте небольшой камешек по сравнению с тяжелым валуном. Вам нужно будет сильно ударить валун, чтобы заставить его двигаться. Точно так же, если два объекта — легкий и тяжелый — уже двигались, то остановить более тяжелый гораздо сложнее.

Это сопротивление объекта любым изменениям в его движении называется его инерцией. Сколько силы требуется для осуществления определенного изменения, зависит от массы, которая является мерой инерции.

Формализация сил: от Аристотеля до Галилея и Ньютона

Идея силы существует уже давно, но она не была хорошо понята в значительной степени из-за неправильного толкования трения.

Аристотель предположил, что все объекты имеют естественное состояние, в котором они хотят отдыхать, и что они будут делать это, если не действует сила. Он использовал это понятие, чтобы объяснить, почему объекты падают на землю или замедляются до полной остановки после того, как их толкнули.

Галилей, однако, опроверг эту идею и объяснил существование тормозящей силы, называемой трением. Он определил, что объекты будут продолжать двигаться прямолинейно, если не будет трения, замедляющего их движение.

Сэр Исаак Ньютон дал большую формализацию наблюдениям Галилея с его знаменитыми тремя законами движения. Он смог описать, что делают силы, как они действуют, и даже приписать понятию числа с единицами.

Законы движения Ньютона

Первый закон движения Ньютона, иногда называемый законом инерции, гласит, что покоящийся объект остается в состоянии покоя, если на него не действует неуравновешенная сила. Эта часть довольно интуитивно понятна, когда вы вспоминаете, как пинали камень на тротуаре. Кроме того, этот закон гласит, что любой объект, совершающий движение с постоянной скоростью (движение с постоянной скоростью по прямолинейному пути), будет продолжать это делать, если на него не воздействует чистая внешняя сила.

Вторая часть первого закона менее интуитивна, потому что в наших повседневных взаимодействиях объекты не имеют тенденции двигаться вечно. Но это потому, что на них действует сила сопротивления, называемая трением.

Второй закон движения Ньютона гласит, что результирующая сила, действующая на объект (которая представляет собой векторную сумму всех действующих сил), равна произведению массы объекта на ускорение. Другими словами:

F_{net}=ma

Второй закон движения Ньютона смог объяснить, почему вам нужно сильнее давить на тяжелые объекты, чем на более легкие, чтобы заставить их изменить свое движение. Он также формально связал силу с физической величиной ускорения, то есть с изменением движения объекта.

Третий закон Ньютона объясняет, как силы действуют парами. В нем говорится, что если объект А применяет силу к объекту В, то объект Б прикладывает к объекту А силу, равную по величине и противоположную направлению силы, действующей на объект В.

Третий закон Ньютона объясняет, почему ружья отскакивают при выстреле. и почему, если вы встанете на скейтборд и упретесь в стену, вы в конечном итоге откатитесь назад.

Определение силы

Силу можно рассматривать как толчок или притяжение. Если на объект действует только одна сила, эта единственная сила вызовет изменение движения объекта обратно пропорционально его массе.

Сила является векторной величиной, т. е. имеет величину и направление. Направление результирующей силы всегда совпадает с направлением ускорения или изменения движения (которое может быть противоположным направлению движения в таких ситуациях, когда объект замедляется).

Единицей силы в системе СИ является ньютон где 1 Н = 1 кгм/с ² . Единицей СГС является дина, где 1 дина = 1 гсм/с ² .

Примеры сил

Вы уже знаете, что можете сами воздействовать на объект силой, толкая его или вытягивая. Это называется контактной силой, потому что она требует контакта. Но есть и много других типов сил.

Список некоторых общих сил, с которыми вы сталкиваетесь при изучении физики, включает следующее:

• ​ Гравитационная сила: ​ Силу гравитации на объект можно наблюдать во время свободного падения, при котором объект ускоряется по направлению к земля. Но сила гравитации — это еще и то, что удерживает планеты на орбитах и ​​не дает вам улететь в космос.
• ​ Нормальная сила: ​ Это поддерживающая сила, действующая перпендикулярно поверхности и предотвращающая падение предметов через пол или столешницу.
• ​ Электромагнитная сила: ​ В совокупности это относится к магнитным и электростатическим силам. Эти типы сил являются результатом заряда или движущегося заряда. Это причина того, что электроны отталкиваются друг от друга, а магниты слипаются.
• ​ Силы трения: ​ Сила трения – это сила, противодействующая движению объекта. Вот почему скользить книгой по столу труднее, чем скользить книгой по льдине. Сила трения изменяется в зависимости от поверхностей, находящихся в контакте друг с другом.
• ​ Сопротивление воздуха: ​ Эта сила подобна трению. Это происходит из-за того, что сам воздух противодействует движению падающих через него предметов. Если объект падает достаточно долго, сила сопротивления воздуха заставит его достичь своей конечной скорости.
• ​ Сила натяжения: ​ Это тип силы, которая передается по струне, проволоке или чему-либо подобному.
• ​ Другие фундаментальные силы: ​ Существуют четыре фундаментальные силы природы. Двумя из них являются гравитация и электромагнетизм, которые уже были перечислены, а двумя другими являются слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие. Последние два обычно влияют только на субатомные объекты, поэтому вы, возможно, никогда о них не слышали.

Диаграммы суммарной силы и свободного тела

Во втором законе Ньютона упоминается результирующая сила. Чистая сила, действующая на объект, представляет собой векторную сумму всех сил, действующих на объект.

Например, два человека могут толкать блок в противоположных направлениях с одинаковой силой. Но результирующая сила оказывается равной 0, что означает, что блок не движется, потому что эти две силы компенсируют друг друга.

Свободные диаграммы тела — это эскизы, которые вы можете нарисовать, показывая величину и направление каждого вектора силы на объекте со стрелкой пропорциональной длины, указывающей в направлении силы. При решении физических задач, связанных с силами, вы, скорее всего, будете рисовать много таких диаграмм, потому что они помогают визуализировать действующие силы и делают более понятным, как сложить силы, чтобы получить результирующую силу.

Если на объект не действует результирующая сила, это означает, согласно второму закону Ньютона, что ускорение объекта равно 0. Другими словами, объект должен иметь постоянную скорость.

• Обратите внимание, что постоянная скорость не равна нулевой скорости. Например, объект, движущийся с постоянной скоростью 2 м/с, обязательно не имеет действующей на него результирующей силы.

Возможно, вы слышали о силе, называемой центростремительной силой. Это не было перечислено с другими силами в предыдущем разделе, потому что на самом деле это тип чистой силы. Это чистая сила в радиальном направлении для любого объекта, совершающего круговое движение.

Круговое движение, даже с постоянной скоростью, не является движением с постоянной скоростью, потому что оно не поддерживает прямолинейный путь. Некоторая комбинация сил должна действовать, чтобы вызвать круговое движение. Центростремительная сила представляет собой результирующую радиальную силу, которая вызывает этот тип движения.

• Не путайте центростремительную силу с центробежной силой. Последнее на самом деле считается псевдосилой. Это сила, которая действует на объект, совершающий круговое движение. Например, когда вы находитесь в машине, поворачивающей за угол, вам может казаться, что вас прижимает к борту машины, но на самом деле происходит то, что какая-то сила тянет вас по кривой траектории.

Силы и поля

Определенные силы действуют таинственным образом без контакта. Одним из примеров, с которым вы знакомы, является гравитационная сила. Когда объект падает, земля притягивает его к себе, даже не касаясь его.

Одним из математических инструментов, разработанных физиками для описания этого явления, является понятие поля. (Да, «силовое поле», но не такое, которое защитит вас от фотонных торпед!)

Гравитационное поле — это присвоение каждой точке пространства вектора, указывающего относительную величину и направление гравитационной силы в этой точке. местоположение независимо от того, какой объект может испытать силу в этом месте. Величина гравитационного поля в любой заданной точке была бы просто гравитационной силой, которая ощущалась бы массой 9.0097 м ​ в этом месте, но разделенное на ​ м ​.

Это понятие силового поля позволяет объяснить эти «таинственные» силы, которые, кажется, действуют, ничего не касаясь, описывая силу как результат взаимодействия объекта с полем.