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

Содержание

Ученые, возможно, обнаружили “пятую силу природы”, до сих пор не известную науке

  • Паллаб Гош
  • Обозреватель Би-би-си по вопросам науки

Автор фото, Reidar Hahn / FermiLab

Подпись к фото,

Открытие было сделано в ходе работы с элементарными частицами – мюонами

Вся наша жизнь подчинена законам физики, будь то магнитик из поездки, который мы крепим к дверце холодильника, или мяч, залетающий в баскетбольное кольцо.

И все эти силы, с которыми мы имем дело каждый день, можно свести к четырем фундаментальным категориям взаимодействий: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.

Четыре фундаментальных силы определяют взаимодействие всех объектов и частиц во вселенной.

К примеру, сила тяжести, она же гравитация, заставляет объекты падать на землю и не позволяет отрываться от нее без приложения другой силы.

Но, как утверждает международная команда физиков, в ходе исследований в рамках эксперимента Muon g-2 (“Мюон джи минус два”), проводившихся в лаборатории городка Батавия рядом с Чикаго, они, возможно, обнаружили новую, пятую силу природы.

Британский Совет по научно-техническому оборудованию объявил, что результаты экспериментов дают весомые подтверждения существованию доселе неизвестной субатомной частицы или новой силы.

К сожалению, результаты эксперимента Muon g-2 не дают пока оснований однозначно заявить о совершенном открытии.

Имеется один шанс из 40 тыс. на то, что это статистическая погрешность. Иными словами, так называемый статистический уровень значимости (или достоверности) составляет 4,1 сигма.

А для того, чтобы открытие было признано, этот уровень должен составлять 5 сигма, то есть погрешность не должна превышать одного шанса на 3,5 млн.

“Мы обнаружили, что взаимодействие мюонов не согласуется со Стандартной моделью, – рассказал в интервью Би-би-си руководитель эксперимента с британской стороны профессор Марк Ланкастер. – Понятно, что мы все в восторге, потому что это открывает будущее с новыми законами физики, новыми частицами и новыми, невиданными до сих пор силами”.

Стандартная модель – общепринятая на данный момент теоретическая конструкция, описывающая взаимодействие всех элементанных частиц во Вселенной.

Новое открытие стало последним в целой серии многообещающих результатов, полученных в ходе экспериментов по физике частиц в США, Японии и, в первую очередь, на Большом адронном коллайдере (БАК), который расположен на границе между Францией и Швейцарией.

Автор фото, Fermilab

Подпись к фото,

Фермилаб – главная лаборатория по исследованию физики элементарных частиц в США

Но вернемся к нашему эксперименту.

Он был поставлен в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб) в городе Батавия, штат Иллинойс, с целью изучения поведения субатомной частицы под названием мюон.

Дело в том, что вся наша Вселенная построена из частиц размером меньше атома. Некоторые из этих частиц состоят из еще более мелких частиц, другие же более не дробятся – это так называемые элементарные частицы.

Мюоны как раз и являются такими элементарными частицами: они похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее.

Автор фото, GIROSCIENCE / SPL

Подпись к фото,

Поведение мюонов выходило за рамки обычного, что и натолкнуло ученых на мысль о пятой силе

В ходе эксперимента Muon g-2 частицы разгонялись по 14-метровому кольцу в циркулярном коллайдере под воздействием мощного магнитного поля.

Согласно известным законам физики это должно было приводить к колебанию мюонов с определенной частотой. Однако физики обнаружили, что частота их колебаний оказалась выше предполагаемой. По их мнению, это может свидетельствовать о действии силы, ранее не известной науке.

Никто не знает точно, что еще, кроме воздействия на мюон, подвластно этой новой силе.

Теоретики полагают, что она может быть каким-то образом связана с еще не открытой субатомной частицей.

Насчет этой гипотетической частицы есть сразу несколько предположений. Это может быть так называемый лептокварк (частица, переносящая информацию между кварками и лептонами) или Z-бозон (который сам для себя служит античастицей).

Еще в прошлом месяце физики, проводившие эксперимент на Большом адронном коллайдере, отмечали, что полученные результаты могут свидетельствовать о наличии новой частицы и силы.

“Сейчас идет настоящая гонка за тем, чтобы получить доказательства тому, что мы обнаружили нечто новое, – говорит доктор Митеш Патель из Имперского колледжа в Лондоне, принимавший участие в эксперименте на БАК. – Понадобится больше данных и больше измерений, и, если повезет, мы получим свидетельства того, что эти эффекты – реальные”.

Автор фото, ESA/Hubble and NASA

Подпись к фото,

В последние годы ученые столкнулись со множеством загадок Вселенной, и доказанное наличие новой силы очень помогло бы в их разгадке

Помимо хорошо знакомых гравитационных и электромагнитных сил за поведение субатомных частиц отвечают так называемые сильные и слабые силы.

И пятая сила могла бы дать ответ на многочисленные загадки Вселенной, которые возникли перед учеными в последние десятилетия.

К примеру, согласно наблюдениям, наша Вселенная расширяется с ускорением, и это относят на счет загадочного феномена под названием темная энергия. Но ученые и раньше выдвигали предположение, что это может быть та самая неведомая пятая сила.

“Это просто уму непостижимо, – признается соведущая программы Би-би-си Sky at Night (“Ночное небо”) доктор Мэгги Эдерин-Покок. – Потенциально это может перевернуть всю физику с ног на голову. У нас было много неразгаданных загадок, и мы, возможно, обнаружили ключ к их решению”.

Формула силы в физике

Содержание:

Определение и формула силы

Определение

Силой называют векторную величину, которая характеризует взаимодействия тел. Ее модуль определяет «степень» (интенсивность) воздействия. Направление силы совпадает с направлением ускорения, которое приобретает тело при взаимодействии с другими телами. {n} \bar{F}_{i}=\frac{d \bar{p}}{d t}(1)$$

где $\bar{p}=m \bar{v}$ – импульс тела, m–масса рассматриваемого тела, $\bar{v}$ – скорость. Надо отметить, что уравнение (1) строго применимо только относительно материальной точки. Если рассматривается протяженное тело, то под скоростью понимают скорость движения центра масс тела.

Если масса материальной точки (m)не изменяется во времени, то формула, определяющая результирующую силу, приложенную к ней (второй закон Ньютона) можно представить в виде:

$$\bar{F}=m \frac{d \bar{v}}{d t}=m \bar{a}(2)$$

где $\bar{a}$ – ускорение, которое материальная точка приобретает в результате воздействия на нее силы. Выражение (2) показывает то, что если $\bar{F}$=0, то тело (материальная точка) движется равномерно и прямолинейно или покоится.

Если сила, приложенная к телу, является постоянной (по модулю и направлению), то формулу для нее можно представить в виде:

$$F=\frac{\Delta p}{\Delta t}=\frac{m\left(v_{2}-v_{1}\right)}{t_{2}-t_{1}}$$

Единицы измерения силы

Основной единицей измерения момента силы в системе СИ является: [F]=Н=(кг•м)/с2

В СГС: [F]=дин

1Н=105 дин

Примеры решения задач

Пример

Задание. {2}}(1.4)$$

то, учитывая выражения (1.2) и (1.3), получаем:

$a = 6 \alpha t (1.5)$

Так как ay=0, то получаем, что сила, которая действует на нашу точку, направлена по оси X, так как направление ускорение и силы совпадают, а мы получили:

$$\bar{a}=6 \alpha t \cdot \bar{i}(1.6)$$

где $\bar{i}$ – единичный вектор, направленный по оси X.

Исходя из второго закона Ньютона, имеем:

$$F=m \cdot 6 \alpha t, \bar{F}=m 6 \alpha t \cdot \bar{i}$$

Ответ. Так как $F=m \cdot 6 \alpha t$, то с течением времени сила увеличивается по модулю.

Слишком сложно?

Формула силы не по зубам? Тебе ответит эксперт через 10 минут!

Пример

Задание. Два параллелепипеда лежат на горизонтальной поверхности. Они соприкасаются. Данные тела могут скользить по поверхности опоры без трения. Масса одного тела равна m1, второго – m2. Первое тело толкнули с силой F0. {\prime}}=\left(m_{1}+m_{2}\right) \bar{a}(2.3)$$

В проекции на ось X уравнение (2.3) примет вид:

$$F_{0}=\left(m_{1}+m_{2}\right) a(2.4)$$

Из уравнения (2.4) выразим ускорение:

$$a=\frac{F_{0}}{m_{1}+m_{2}}$$

Подставим правую часть выражения (2.5) в (2.2) вместо ускорения:

$$F=F_{0}-m_{1} \cdot \frac{F_{0}}{m_{1}+m_{2}}$$

Ответ. $F=F_{0}-m_{1} \cdot \frac{F_{0}}{m_{1}+m_{2}}$

Читать дальше: Формула сопротивления.

Остановись, мгновенье, ты опасно! — Авторевю

Когда разговор заходит об устойчивости и управляемости, полезно вспомнить прогулянные уроки физики — и порисовать ускорения и силы. А чтобы не пойти по ложному пути, сразу ответим на вопрос, который порой ставит в тупик и тех, кто физику не прогуливал.

Какая сила заставляет автомобиль или мотоцикл разгоняться? ­Что-что, мощность? О, крутящий момент? ­Нет-нет, это реактивная сила трения, возникающая в пятне контакта шины с дорогой.

Благодаря ей удается и поворачивать, и — что нам сейчас важнее — замедляться. Предельную «движущую» силу в пятне контакта можно описать как произведение силы, с которой покрышка давит на опорную поверхность (суть часть веса транспортного средства, приходящаяся на это колесо), на коэффициент трения (или сцепления). Причем в случае с парой «шина — дорога» уместней говорить именно о сцеплении и, соответственно, о коэффициенте сцепления, который обозначается буквой µ (читается как «мю»). Принципиальная разница со «школьным» коэффициентом трения в том, что если тот лежит в пределах от нуля до единицы, то µ может достигать нескольких единиц, то есть перегрузки могут заметно превышать g (9,81 м/c²). Например, когда пару образуют очень цепкий асфальтобетон и прогретая шина-слик.

Теперь вспомним, что сила — величина векторная, то есть описывается как численным значением, так и направлением, и посмотрим, какие из действующих на мотоцикл «главных» сил стремятся при торможении опрокинуть его вперед, а какие этому препятствуют. Опрокидывающее (или удерживающее от опрокидывания) воздействие описывается так называемым моментом силы — произведением силы на длину плеча воздействия, то есть длину перпендикуляра между центром вращения и вектором силы (или его продолжением). Коль скоро мы рассматриваем вероятность опрокидывания вперед, то центром вращения мотоцикла будем считать пятно контакта передней шины с дорогой (для упрощения картины берем предельный случай, когда переднее колесо заблокировано и сила трения достигла максимума, иначе центром следовало бы считать ось переднего колеса). И, вновь для упрощения, считаем, что мотоцикл — конструкция монолитно-жесткая, что центр масс системы «мотоцикл + мотоциклист» всегда находится на высоте h и аккурат посередине между колесами.

Для упрощения мы разместили центр тяжести ровно между колесами. При движении с постоянной скоростью силы F₁ и F₂ равны между собой, а в сумме они равны силе тяжести (весу) мотоцикла и мотоциклиста Mg (влиянием аэродинамических и прочих сил сейчас пренебрегаем).

При замедлении сила F₁ возрастает, а сила F₂, соответственно, падает. Это — динамическое перераспределение веса. Fсц1 и Fсц2 — действующие в продольном направлении на шины силы сцепления, возникающие в пятнах контакта шин с дорогой. Опрокидывающий момент создает сила Fин на плече h, а препятствует ему момент силы тяжести F на плече b

Итак, торможение. Мотоцикл клюет носом: приложенная к центру тяжести сила инерции F (в ее «ньютоновском» смысле как сила противодействия) направлена вперед — и закручивает мотоцикл по часовой стрелке с моментом Mah, попутно увеличивая вертикальную силу F₁, с которой переднее колесо давит на дорогу (происходит так называемое динамическое перераспределение веса), а значит, и направленную назад силу сцепления Fсц1 в пятне контакта переднего колеса. В той же мере ослабляется сила F₂ и, соответственно, сила сцепления Fсц2 в пятне контакта заднего колеса. Препятствует же опрокидыванию направленный против часовой стрелки момент, создаваемый силой тяжести Mg, то бишь весом мотоцикла и мотоциклиста, который по отношению к центру опрокидывания действует на плече b, то есть равен Mgb.

Заднее колесо потеряет сцепление с дорогой или начнет отрываться, когда момент, создаваемый силой Fин на плече h, сравняется или превысит момент силы тяжести на плече b. Поскольку совокупная масса мотоцикла и мотоциклиста M фигурирует во всех противоборствующих силах и моментах, причем исключительно в первой степени, мы вычеркиваем ее из наших уравнений — и приходим к выводу, что склонность мотоцикла к опрокидыванию через переднее колесо зависит от его колесной базы (в нашем случае это 2b) и высоты h центра тяжести, а влияние массы (по крайней мере на этапе простых линейных зависимостей) исчезает. Чем ниже центр тяжести и чем длиннее колесная база мотоцикла, тем лучше он застрахован от опрокидывания — и тем большее замедление может развить с помощью тормозов!

Можно оценить и максимально возможное замедление:

С оговоркой, что ни при каких обстоятельствах это замедление не превысит gµ. Напомним, что величина b лишь в нашем случае равна половинке колесной базы, а в более общем — это расстояние «по горизонтали» от центра переднего колеса до центра тяжести.

И еще один вывод: чем более скользкая дорога, тем, как ни странно, у мотоцикла выше шанс развить такое же предельное замедление, что и автомобиль. Если, конечно, этот автомобиль не ­ЛуАЗ-969, который сначала делал stoppie похлеще мотоцикла, но завершал измерение тормозного пути с отменным результатом; с другой стороны, на скользкой дороге и «потерять» мотоцикл легче.

Только не надо сейчас про гироскопические моменты, моменты инерции и импульсы. Еще раз: это упрощенная картинка, цель которой — показать самые важные закономерности! А начни мы оценивать влияние всех факторов — и объем этой эпистолы разрастется до добротной кандидатской.

Лучше предупредить, что с потерей надежного сцепления заднего колеса с дорогой, уж не говоря о подъеме колеса, мотоцикл, скорее всего, начнет «складываться» — и система «мотоцикл + мотоциклист» может разобщиться гораздо раньше завершения сальто. Ведь не бывает, особенно при торможении, идеально прямолинейного движения, как не бывает, чтобы руль стоял идеально прямо, а мотоциклист сидел так, чтобы его центр тяжести не был смещен вбок относительно продольной оси мотоцикла.

Посмотрите на мотоцикл сверху (а лучше нарисуйте еще одну похожую картинку): малейшее смещение центра тяжести в сторону — и появляется «разворачивающий» момент, а если при этом заднее колесо едва касается дороги, то остается уповать на мастерство или чудо. А ведь мы рассмотрели только «легкий» случай, когда мотоцикл едет прямо!

А теперь вслед за Владимиром Здоровым едем на полигон!

Сила тяготения – материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

 


Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, закон всемирного тяготения, сила тяжести, ускорение свободного падения, вес тела, невесомость, искусственные спутники Земли.

Любые два тела притягиваются друг к другу – по той лишь одной причине, что они имеют массу. Эта сила притяжения называется силой тяготения или гравитационной силой.

Закон всемирного тяготения.

 

Гравитационное взаимодействие любых двух тел во Вселенной подчиняется достаточно простому закону.

Закон всемирного тяготения. Две материальные точки массами и притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

(1)

Коэффициент пропорциональности называется гравитационной постоянной. Это фундаментальная константа, и её численное значение было определено на основе эксперимента Генри Кавендиша:

Порядок величины гравитационной постоянной объясняет, почему мы не замечаем взаимного притяжения окружающих нас предметов: гравитационные силы оказываются слишком малыми при небольших массах тел. Мы наблюдаем лишь притяжение предметов к Земле, масса которой примерно кг.

Формула (1), будучи справедливой для материальных точек, перестаёт быть верной, если размерами тел пренебречь нельзя. Имеются, однако, два важных для практики исключения.

1. Формула (1) справедлива, если тела являются однородными шарами. Тогда – расстояние между их центрами. Сила притяжения направлена вдоль прямой, соединяющей центры шаров.

2. Формула (1) справедлива, если одно из тел – однородный шар, а другое – материальная точка, находящаяся вне шара. Тогда сстояние от точки до центра шара. Сила притяжения направлена вдоль прямой, соединяющей точку с центром шара.

Второй случай особенно важен, так как позволяет применять формулу (1) для силы притяжения тела (например, искусственного спутника) к планете.

Сила тяжести.

 

Предположим, что тело находится вблизи некоторой планеты. Сила тяжести – это сила гравитационного притяжения, действующая на тело со стороны планеты. В подавляющем большинстве случаев сила тяжести – это сила притяжения к Земле.

Пусть тело массы лежит на поверхности Земли. На тело действует сила тяжести , где – ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли. С другой стороны, считая Землю однородным шаром, можно выразить силу тяжести по закону всемирного тяготения:

,

где – масса Земли, км – радиус Земли. Отсюда получаем формулу для ускорения свободного падения на поверхности Земли:

. (2)

Эта же формула, разумеется, позволяет найти ускорение свободного падения на поверхности любой планеты массы и радиуса .

Если тело находится на высоте над поверхностью планеты, то для силы тяжести получаем:

.

Здесь – ускорение свободного падения на высоте :

.

В последнем равенстве мы воспользовались соотношением

которое следует из формулы (2).

Вес тела. Невесомость.

 

Рассмотрим тело, находящееся в поле силы тяжести. Предположим, что есть опора или подвес, препятствующие свободному падению тела. Вес тела – это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Подчеркнём, что вес приложен не к телу, а к опоре (подвесу).
Рис. 1. Сила тяжести, реакция опоры и вес тела

 

На рис. 1 изображено тело на опоре. Со стороны Земли на тело действует сила тяжести (в случае однородного тела простой формы сила тяжести приложена в центре симметрии тела). Со стороны опоры на тело действует сила упругости (так называемая реакция опоры). На опору со стороны тела действует сила – вес тела. По третьему закону Ньютона силы и равны по модулю и противоположны по направлению.

Предположим, что тело покоится. Тогда равнодействующая сил, приложенных к телу, равна нулю. Имеем:

С учётом равенства получаем . Стало быть, если тело покоится, то его вес равен по модулю силе тяжести.

Задача. Тело массы вместе с опорой движется с ускорением , направленным вертикально вверх. Найти вес тела.

Решение. Направим ось вертикально вверх (рис. 2).

Рис. 2. Вес тела больше силы тяжести.

 

Запишем второй закон Ньютона:

Перейдём к проекциям на ось :

.

Отсюда . Следовательно, вес тела

.

Как видим, вес тела больше силы тяжести. Такое состояние называется перегрузкой.

Задача. Тело массы вместе с опорой движется с ускорением , направленным вертикально вниз. Найти вес тела.

Решение. Направим ось вертикально вниз (рис. 3).

Рис. 3. Вес тела меньше силы тяжести.

 

Схема решения та же. Начинаем со второго закона Ньютона:

Переходим к проекциям на ось :

.

Отсюда c. Следовательно, вес тела

.

В данном случае вес тела меньше силы тяжести. При (свободное падение тела с опорой) вес тела обращается в нуль. Это – состояние
невесомости, при котором тело вообще не давит на опору.

Искусственные спутники.

 

Для того, чтобы искусственный спутник мог совершать орбитальное движение вокруг планеты, ему нужно сообщить определённую скорость. Найдём скорость кругового движения спутника на высоте над поверхностью планеты. Масса планеты , её радиус (рис. 4)
Рис. 4. Спутник на круговой орбите.

 

Спутник будет двигаться под действием единственной силы – силы всемирного тяготения, направленной к центру планеты. Туда же направлено и ускорение спутника – центростремительное ускорение

.

Обозначив через массу спутника, запишем второй закон Ньютона в проекции на ось, направленной к центру планеты: , или

.

Отсюда получаем выражение для скорости:

.

Первая космическая скорость – это максимальная скорость кругового движения спутника, отвечающая высоте . Для первой космической скорости имеем

,

или, с учётом формулы ( 2),

.

Для Земли приближённо имеем:

км/с.

 

4 главных силы Вселенной

Основой основ физических законов являются четыре фундаментальных взаимодействия, которые отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кирпичиками бытия, то взаимодействия — это цементный раствор. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное — именно в таком порядке, от сильного к слабому, рассматриваются взаимодействия. Их нельзя свести к более простым — поэтому они и называются фундаментальными.

Прежде чем приступать к описанию сил, необходимо объяснить, что подразу­мевается под словом взаимодействие. Физики рассматривают его как результат обмена некими посредниками, их принято называть переносчиками взаимодействия.

Начнём с самого интенсивного. Сильное взаимодействие было открыто в 30‑х годах прошлого столетия в период активного исследования атома. Оказалось, что целостность и стабильность его ядра как раз и обеспечивается чрезвычайно сильным взаимодействием нуклонов между собой. 

Нуклоны (от лат. nucleus — ядро) — ­общее название для протонов и нейтронов, главных компонентов ядра атома. С точки зрения сильного взаимодействия эти частицы неразличимы. Нейтрон тяжелее протона на 0,13% — это оказалось достаточно, чтобы стать единственной из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой наблюдалось гравитационное взаимодействие.

Содержимое ядер притягивается друг к другу за счёт особых квантов — ­π-мезонов, являющихся «официальными» переносчиками сильного взаимодействия. Такая ядерная сила в 1038 раз интенсивнее самого слабого взаимодействия — гравитационного. Если бы сильное взаимодействие вдруг исчезло, атомы во Вселенной моментально распались бы. За ними молекулы, далее вещество — вся окружающая нас действительность перестала бы существовать, за исключением элементарных частиц. Интересной особенностью их «взаимоотношений» является близкодействие: положительно заряженные частицы, протоны, притягиваются друг к другу только при непосредственном соприкосновении.

Если протоны удалены на некоторое расстояние друг от друга, возникает электро­магнитное взаимодействие, при котором одноимённо заряженные частицы отталкиваются, а разноимённо заряженные — притягиваются. В случае незаряженных частиц эта сила не возникает — вспомним знаменитый закон Кулона о неподвижных точечных электрических зарядах. Переносчиками электромагнитных сил являются фотоны, обеспечивающие помимо прочего перенос энергии Солнца к нашей планете. Исключение этой силы грозит Земле полным замерзанием. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного в 1035 раз, то есть всего в 100 раз слабее ядерного.

Природа предусмотрела ещё одну фундаментальную силу, отличающуюся исчезающе малой интенсивностью и очень незначительным радиусом действия (меньше атомного ядра). Это слабое взаимодействие — его переносчиками выступают особые заряженные и нейтральные бозоны. Сферой ответственности слабых сил является прежде всего бета-распад нейтрона, сопровождающийся образованием протона, электрона и (анти-)нейтрино. Подобные превращения активно идут на Солнце, что и определяет важность этого фундаментального взаимодействия для нас с вами.

Сила, Давление – Формулы по физике

По рыхлому снегу человек идёт с большим трудом, глубоко проваливаясь при каждом шаге. Но, надев лыжи, он может идти, почти не проваливаясь в него. Почему? На лыжах или без лыж человек действует на снег с одной и той же силой, равной своему весу. Однако действие этой силы в обоих случаях различно, потому что различна площадь поверхности, на которую давит человек, с лыжами и без лыж. Площадь поверхности лыж почти в 20 раз больше площади подошвы. Поэтому, стоя на лыжах, человек действует на каждый квадратный сантиметр площади поверхности снега с силой, в 20 раз меньшей, чем стоя на снегу без лыж.

Ученик, прикалывая кнопками газету к доске, действует на каждую кнопку с одинаковой силой. Однако кнопка, имеющая более острый конец, легче входит в дерево.


Значит, результат действия силы зависит не только от её модуля, направления и точки приложения, но и от площади той поверхности, к которой она приложена (перпендикулярно которой она действует).

Этот вывод подтверждают физические опыты.

Опыт.Результат действия данной силы зависит от того, какая сила действует на единицу площади поверхности.

По углам небольшой доски надо вбить гвозди. Сначала гвозди, вбитые в доску, установим на песке остриями вверх и положим на доску гирю. В этом случае шляпки гвоздей лишь незначительно вдавливаются в песок. Затем доску перевернем и поставим гвозди на острие. В этом случае площадь опоры меньше, и под действием той же силы гвозди значительно углубляются в песок.

Опыт. Вторая иллюстрация.

От того, какая сила действует на каждую единицу площади поверхности, зависит результат действия этой силы.

В рассмотренных примерах силы действовали перпендикулярно поверхности тела. Вес человека был перпендикулярен поверхности снега; сила, действовавшая на кнопку, перпендикулярна поверхности доски.

Величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности, называется давлением.

Чтобы определить давление, надо силу, действующую перпендикулярно поверхности, разделить на площадь поверхности:

давление = сила / площадь.

Обозначим величины, входящие в это выражение: давление – p, сила, действующая на поверхность, – F и площадь поверхности – S.

Тогда получим формулу:

p = F/S

Понятно, что бóльшая по значению сила, действующую на ту же площадь, будет производить большее давление.

За единицу давления принимается такое давление, которое производит сила в 1 Н, действующая на поверхность площадью 1 м2 перпендикулярно этой поверхности.

Единица давления – ньютон на квадратный метр ( 1 Н / м2 ). В честь французского ученого Блеза Паскаля она называется паскалем (Па). Таким образом,

1 Па = 1 Н / м2 .

Используется также другие единицы давления: гектопаскаль (гПа) и килопаскаль (кПа).

1 кПа = 1000 Па;

1 гПа = 100 Па;

1 Па = 0,001 кПа;

1 Па = 0,01 гПа.

Пример. Рассчитать давление, производимое на пол мальчиком, масса которого 45 кг, а площадь подошв его ботинок, соприкасающихся с полом, равна 300 см2.

Запишем условие задачи и решим её.

Дано: m = 45 кг, S = 300 см2; p = ?

В единицах СИ: S = 0,03 м2

Решение:

p = F/S,

F = P,

P = g·m,

P = 9,8 Н · 45 кг ≈ 450 Н,

p = 450/0,03 Н / м2 = 15000 Па = 15 кПа

‘Ответ’: p = 15000 Па = 15 кПа

Способы уменьшения и увеличения давления.

Тяжелый гусеничный трактор производит на почву давление равное 40 – 50 кПа, т. е. всего в 2 – 3 раза больше, чем давление мальчика массой 45 кг. Это объясняется тем, что вес трактора распределяется на бóльшую площадь за счёт гусеничной передачи. А мы установили, что чем больше площадь опоры, тем меньше давление, производимое одной и той же силой на эту опору.

В зависимости от того, нужно ли получить малое или большое давление, площадь опоры увеличивается или уменьшается. Например, для того, чтобы грунт мог выдержать давление возводимого здания, увеличивают площадь нижней части фундамента.

Шины грузовых автомобилей и шасси самолетов делают значительно шире, чем легковых. Особенно широкими делают шины у автомобилей, предназначенных для передвижения в пустынях.

Тяжелые машины, как трактор, танк или болотоход, имея большую опорную площадь гусениц, проходят по болотистой местности, по которой не пройдет человек.

С другой стороны, при малой площади поверхности можно небольшой силой произвести большое давление. Например, вдавливая кнопку в доску, мы действуем на нее с силой около 50 Н. Так как площадь острия кнопки примерно 1 мм2, то давление, производимое ею, равно:

p = 50 Н/ 0, 000 001 м2 = 50 000 000 Па = 50 000 кПа.

Для сравнения, это давление в 1000 раз больше давления, производимого гусеничным трактором на почву. Можно найти еще много таких примеров.

Лезвие режущих и острие колющих инструментов (ножей, ножниц, резцов, пил, игл и др.) специально остро оттачивается. Заточенный край острого лезвия имеет маленькую площадь, поэтому при помощи даже малой силы создается большое давление, и таким инструментом легко работать.

Режущие и колющие приспособления встречаются и в живой природе: это зубы, когти, клювы, шипы и др. – все они из твердого материала, гладкие и очень острые.

Давление

Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся.

Опыт. Здесь мы узнаем, что газ давит на стенки сосуда по всем направлениям одинаково.

Мы уже знаем, что газы, в отличие от твердых тел и жидкостей, заполняют весь сосуд, в котором находятся. Например, стальной баллон для хранения газов, камера автомобильной шины или волейбольный мяч. При этом газ оказывает давление на стенки, дно и крышку баллона, камеры или любого другого тела, в котором он находится. Давление газа обусловлено иными причинами, чем давление твердого тела на опору.

Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул в газе много, поэтому и число их ударов очень велико. Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, о поверхность площадью 1 см2 за 1 с выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул на стенки сосуда значительно, — оно и создает давление газа.

Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа.

Рассмотрим следующий опыт. Под колокол воздушного насоса поместим резиновый шарик. Он содержит небольшое количество воздуха и имеет неправильную форму. Затем насосом откачиваем воздух из-под колокола. Оболочка шарика, вокруг которой воздух становится все более разреженным, постепенно раздувается и принимает форму правильного шара.

Как объяснить этот опыт?

Для хранения и перевозки сжатого газа используются специальные прочные стальные баллоны.

В нашем опыте движущиеся молекулы газа непрерывно ударяют о стенки шарика внутри и снаружи. При откачивании воздуха число молекул в колоколе вокруг оболочки шарика уменьшается. Но внутри шарика их число не изменяется. Поэтому число ударов молекул о внешние стенки оболочки становится меньше, чем число ударов о внутренние стенки. Шарик раздувается до тех пор, пока сила упругости его резиновой оболочки не станет равной силе давления газа. Оболочка шарика принимает форму шара. Это показывает, что газ давит на ее стенки по всем направлениям одинаково. Иначе говоря, число ударов молекул, приходящихся на каждый квадратный сантиметр площади поверхности, по всем направлениям одинаково. Одинаковое давление по всем направлениям характерно для газа и является следствием беспорядочного движения огромного числа молекул.

Попытаемся уменьшить объем газа, но так, чтобы масса его осталась неизменной. Это значит, что в каждом кубическом сантиметре газа молекул станет больше, плотность газа увеличится. Тогда число ударов молекул о стенки увеличится, т. е. возрастет давление газа. Это можно подтвердить опытом.

На рисунке а изображена стеклянная трубка, один конец которой закрыт тонкой резиновой пленкой. В трубку вставлен поршень. При вдвигании поршня объем воздуха в трубке уменьшается, т. е. газ сжимается. Резиновая пленка при этом выгибается наружу, указывая на то, что давление воздуха в трубке увеличилось.

Наоборот, при увеличении объема этой же массы газа, число молекул в каждом кубическом сантиметре уменьшается. От этого уменьшится число ударов о стенки сосуда – давление газа станет меньше. Действительно, при вытягивании поршня из трубки объем воздуха увеличивается, пленка прогибается внутрь сосуда. Это указывает на уменьшение давления воздуха в трубке. Такие же явления наблюдались бы, если бы вместо воздуха в трубке находился бы любой другой газ.

Итак, при уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается при условии, что масса и температура газа остаются неизменными.

А как изменится давление газа, если нагреть его при постоянном объеме? Известно, что скорость движения молекул газа при нагревании увеличивается. Двигаясь быстрее, молекулы будут ударять о стенки сосуда чаще. Кроме того, каждый удар молекулы о стенку будет сильнее. Вследствие этого, стенки сосуда будут испытывать большее давление.

Следовательно, давление газа в закрытом сосуде тем больше, чем выше температура газа, при условии, что масса газа и объем не изменяются.

Из этих опытов можно сделать общий вывод, что давление газа тем больше, чем чаще и сильнее молекулы ударяют о стенки сосуда.

Для хранения и перевозки газов их сильно сжимают. При этом давление их возрастает, газы необходимо заключать в специальные, очень прочные баллоны. В таких баллонах, например, содержат сжатый воздух в подводных лодках, кислород, используемый при сварке металлов. Конечно же, мы должны навсегда запомнить, что газовые баллоны нельзя нагревать, тем более, когда они заполнены газом. Потому что, как мы уже понимаем, может произойти взрыв с очень неприятными последствиями.

Закон Паскаля.

Давление передается в каждую точку жидкости или газа.

Давление поршня передается в каждую точку жидкости, заполняющей шар.

Теперь газ.

В отличие от твердых тел отдельные слои и мелкие частицы жидкости и газа могут свободно перемещаться относительно друг друга по всем направлениям. Достаточно, например, слегка подуть на поверхность воды в стакане, чтобы вызвать движение воды. На реке или озере при малейшем ветерке появляется рябь.

Подвижностью частиц газа и жидкости объясняется, что давление, производимое на них, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку. Рассмотрим это явление подробнее.

На рисунке, а изображен сосуд, в котором содержится газ (или жидкость). Частицы равномерно распределены по всему сосуду. Сосуд закрыт поршнем, который может перемещаться вверх и вниз.

Прилагая некоторую силу, заставим поршень немного переместиться внутрь и сжать газ (жидкость), находящийся непосредственно под ним. Тогда частицы (молекулы) расположатся в этом месте более плотно, чем прежде(рис, б). Благодаря подвижности частицы газа будут перемещаться по всем направлениям. Вследствие этого их расположение опять станет равномерным, но более плотным, чем раньше (рис, в). Поэтому давление газа всюду возрастет. Значит, добавочное давление передается всем частицам газа или жидкости. Так, если давление на газ (жидкость) около самого поршня увеличится на 1 Па, то во всех точках внутри газа или жидкости давление станет больше прежнего на столько же. На 1 Па увеличится давление и на стенки сосуда, и на дно, и на поршень.

Давление, производимое на жидкость или газ, передается на любую точку одинаково во всех направлениях.

Это утверждение называется законом Паскаля.

На основе закона Паскаля легко объяснить следующие опыты.

На рисунке изображен полый шар, имеющий в различных местах небольшие отверстия. К шару присоединена трубка, в которую вставлен поршень. Если набрать воды в шар и вдвинуть в трубку поршень, то вода польется из всех отверстий шара. В этом опыте поршень давит на поверхность воды в трубке. Частицы воды, находящиеся под поршнем, уплотняясь, передают его давление другим слоям, лежащим глубже. Таким образом, давление поршня передается в каждую точку жидкости, заполняющей шар. В результате часть воды выталкивается из шара в виде одинаковых струек, вытекающих из всех отверстий.

Если шар заполнить дымом, то при вдвигании поршня в трубку из всех отверстий шара начнут выходить одинаковые струйки дыма. Это подтверждает, что и газы передают производимое на них давление во все стороны одинаково.

Давление в жидкости и газе.

Под действием веса жидкости резиновое дно в трубке прогнется.

На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому, каждый слой жидкости, налитой в сосуд, своим весом создает давление, которое по закону Паскаля передается по всем направлениям. Следовательно, внутри жидкости существует давление. В этом можно убедиться на опыте.

В стеклянную трубку, нижнее отверстие которой закрыто тонкой резиновой пленкой, нальем воду. Под действием веса жидкости дно трубки прогнется.

Опыт показывает, что, чем выше столб воды над резиновой пленкой, тем больше она прогибается. Но всякий раз после того, как резиновое дно прогнулось, вода в трубке приходит в равновесие (останавливается), так как, кроме силы тяжести, на воду действует сила упругости растянутой резиновой пленки.

По мере опускания трубки

резиновая пленка постепенно выпрямляется.

Силы, действующие на резиновую пленку,

одинаковы с обеих сторон.

Иллюстрация.

Дно отходит от цилиндра вследствие давления на него силы тяжести.

Опустим трубку с резиновым дном, в которую налита вода, в другой, более широкий сосуд с водой. Мы увидим, что по мере опускания трубки резиновая пленка постепенно выпрямляется. Полное выпрямление пленки показывает, что силы, действующие на нее сверху и снизу, равны. Наступает полное выпрямление пленки тогда, когда уровни воды в трубке и сосуде совпадают.

Такой же опыт можно провести с трубкой, в которой резиновая пленка закрывает боковое отверстие, как это показано на рисунке, а. Погрузим эту трубку с водой в другой сосуд с водой, как это изображено на рисунке, б. Мы заметим, что пленка снова выпрямится, как только уровни воды в трубке и сосуде сравняются. Это означает, что силы, действующие на резиновую пленку, одинаковы со всех сторон.

Возьмем сосуд, дно которого может отпадать. Опустим его в банку с водой. Дно при этом окажется плотно прижатым к краю сосуда и не отпадет. Его прижимает сила давления воды, направленная снизу вверх.

Будем осторожно наливать воду в сосуд и следить за его дном. Как только уровень воды в сосуде совпадет с уровнем воды в банке, оно отпадет от сосуда.

В момент отрыва на дно давит сверху вниз столб жидкости в сосуде, а снизу вверх на дно передается давление такого же по высоте столба жидкости, но находящейся в банке. Оба эти давления одинаковы, дно же отходит от цилиндра вследствие действия на него собственной силы тяжести.

Выше были описаны опыты с водой, но если взять вместо воды любую другую жидкость, результаты опыта будут те же.

Итак, опыты показывают, что внутри жидкости существует давление, и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.

Газы в этом отношении не отличаются от жидкостей, ведь они тоже имеют вес. Но надо помнить, что плотность газа в сотни раз меньше плотности жидкости. Вес газа, находящегося в сосуде, мал, и его “весовое” давление во многих случаях можно не учитывать.

ЕГЭ по физике, подготовка к ЕГЭ по физике 2021 в Москве, задачи, оценки, сколько длится экзамен — Учёба.ру

11Равномерное прямолинейное движение, равноускоренное прямолинейное движение, движение по окружности
21Законы Ньютона, закон всемирного тяготения, закон Гука, сила трения
31Закон сохранения импульса, кинетическая и потенциальные энергии, работа и мощность силы, закон сохранения механической энергии
41Условие равновесия твердого тела, закон Паскаля, сила Архимеда, математический и пружинный маятники, механические волны, звук
52Механика
62Механика
72Механика
81Связь между давлением и средней кинетической энергией, абсолютная температура, связь температуры со средней кинетической энергией, уравнение Менделеева—Клапейрона, изопроцессы
91Работа в термодинамике, первый закон термодинамики, КПД тепловой машины
101Относительная влажность воздуха, количество теплоты
112МКТ, термодинамика
122МКТ, термодинамика
131Принцип суперпозиции электрических полей, магнитное поле проводника с током, сила Ампера, сила Лоренца, правило Ленца
141Закон сохранения электрического заряда, закон Кулона, конденсатор, сила тока, закон Ома для участка цепи, последовательное и параллельное соединение проводников, работа и мощность тока, закон Джоуля — Ленца
151Поток вектора магнитной индукции, закон электромагнитной индукции Фарадея, индуктивность, энергия магнитного поля катушки с током, колебательный контур, законы отражения и преломления света, ход лучей в линзе
162Электродинамика
172Электродинамика
182Электродинамика и основы специальной теории относительности
191Планетарная модель атома. Нуклонная модель ядра. Ядерные реакции
201Фотоны, линейчатые спектры, закон радиоактивного распада
212Квантовая физика
221Механика — квантовая физика
231Механика — квантовая физика
242Элементы астрофизики: Солнечная система, звезды, галактики

Расширенная тема: Четыре основных силы – введение

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Поймите четыре основных силы, лежащих в основе процессов в природе.

Одно из самых замечательных упрощений в физике состоит в том, что всего четыре различных силы объясняют все известные явления. Фактически, почти все силы, с которыми мы сталкиваемся напрямую, обусловлены только одной базовой силой, называемой электромагнитной силой.(Гравитационная сила – единственная сила, которую мы испытываем напрямую, которая не является электромагнитной. ) Это огромное упрощение множества , по-видимому, различных сил, которые мы можем перечислить, лишь некоторые из которых обсуждались в предыдущем разделе. Как мы увидим, считается, что все основные силы действуют посредством обмена микроскопическими частицами-носителями, а характеристики основных сил определяются типами обмениваемых частиц. Действие на расстоянии, такое как гравитационная сила Земли на Луне, объясняется существованием силового поля , а не «физическим контактом».”

Четыре основных силы – это гравитационная сила, электромагнитная сила, слабая ядерная сила и сильная ядерная сила. Их свойства приведены в Таблице 1. Поскольку слабые и сильные ядерные взаимодействия действуют на очень коротком расстоянии, размером с ядро ​​или меньше, мы не испытываем их напрямую, хотя они имеют решающее значение для самой структуры материи. Эти силы определяют, какие ядра стабильны, а какие распадаются, и они являются основой высвобождения энергии в определенных ядерных реакциях. Ядерные силы определяют не только стабильность ядер, но и относительное содержание элементов в природе. Свойства ядра атома определяют количество электронов, которые оно имеет, и, таким образом, косвенно определяют химию атома. Подробнее обо всех этих темах будет сказано в следующих главах.

Концептуальные связи: четыре основных силы
Таблица 1. Свойства четырех основных сил
Усилие Приблизительная относительная сила Диапазон Притяжение / Отталкивание Несущая частица
Гравитационный 10 −38 только привлекательно Гравитон
Электромагнитный 10 –2 привлекательный и отталкивающий Фотон
Слабая ядерная 10 –13 <10 –18 м привлекательный и отталкивающий Вт + , Вт , Z 0
Сильная ядерная 1 <10 –15 м привлекательный и отталкивающий глюона

Гравитационная сила на удивление мала – мы вообще замечаем ее только потому, что гравитация всегда притягательна. Наш вес – это гравитационная сила из-за всей Земли, действующей на нас. В очень большом масштабе, как в астрономических системах, гравитационная сила является доминирующей силой, определяющей движение лун, планет, звезд и галактик. Гравитационная сила также влияет на природу пространства и времени. Как мы увидим позже при изучении общей теории относительности, пространство искривлено вблизи очень массивных тел, таких как Солнце, а время фактически замедляется вблизи массивных тел.

Электромагнитные силы могут быть как притягивающими, так и отталкивающими. Это силы дальнего действия, которые действуют на чрезвычайно больших расстояниях и почти компенсируются для макроскопических объектов. (Помните, что важна чистая внешняя сила , ). Если бы они не компенсировались, электромагнитные силы полностью подавили бы гравитационную силу. Электромагнитная сила представляет собой комбинацию электрических сил (например, вызывающих статическое электричество) и магнитных сил (например, действующих на стрелку компаса). Эти две силы считались совершенно разными до начала XIX века, когда ученые начали обнаруживать, что они являются разными проявлениями одной и той же силы. Это открытие является классическим случаем объединения сил . Точно так же трение, натяжение и все другие классы сил, которые мы испытываем напрямую (кроме гравитации, конечно), возникают из-за электромагнитных взаимодействий атомов и молекул. Однако по-прежнему удобно рассматривать эти силы отдельно в конкретных приложениях из-за того, как они проявляются.

Концептуальные связи: объединяющие силы

Попытки объединить четыре основные силы обсуждаются применительно к элементарным частицам далее в этом тексте. Под «объединением» мы подразумеваем нахождение связей между силами, которые показывают, что они являются различными проявлениями одной силы. Даже если такое объединение будет достигнуто, силы сохранят свои отдельные характеристики в макроскопическом масштабе и могут быть идентичными только в экстремальных условиях, подобных тем, которые существовали в ранней Вселенной.

Физики сейчас изучают, связаны ли эти четыре основные силы каким-либо образом. Попытки объединить все силы в одну подпадают под рубрику Теорий Великого Объединения (GUT), с которыми в последние годы были достигнуты определенные успехи. Теперь известно, что в условиях чрезвычайно высокой плотности и температуры, которые существовали в ранней Вселенной, электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия неразличимы. Теперь их можно рассматривать как разные проявления одной силы, называемой электрослабой силой .Таким образом, список из четырех в некотором смысле сократился до трех. Дальнейший прогресс в объединении всех сил оказывается трудным – особенно включение гравитационной силы, которая имеет особые характеристики воздействия на пространство и время, в которых существуют другие силы. Хотя объединение сил не повлияет на то, как мы обсуждаем силы в этом тексте, удивительно, что такая лежащая в основе простота существует перед лицом явной сложности Вселенной. Нет причин, по которым природа должна быть простой – это просто так.

Действие на расстоянии: концепция поля

Все силы действуют на расстоянии. Это очевидно для гравитационной силы. Например, Земля и Луна взаимодействуют, не соприкасаясь. То же верно и для всех остальных сил. Например, трение – это электромагнитная сила между атомами, которая на самом деле не может касаться друг друга. Что переносит силы между объектами? Один из способов ответить на этот вопрос – представить, что силовое поле окружает любой объект, создающий силу.Второй объект (часто называемый тестовым объектом ), помещенный в это поле, будет испытывать силу, которая является функцией местоположения и других переменных. Само поле – это «вещь», которая переносит силу от одного объекта к другому. Поле определяется как характеристика объекта, его создающего; поле не зависит от помещенного в него тестового объекта. Например, гравитационное поле Земли зависит от массы Земли и расстояния от ее центра, независимо от наличия других масс.Концепция поля полезна, потому что уравнения могут быть записаны для силовых полей, окружающих объекты (для гравитации это дает w = mg на поверхности Земли), и движения могут быть рассчитаны по этим уравнениям. (См. Рисунок 1.)

Рис. 1. Электрическое силовое поле между положительно заряженной частицей и отрицательно заряженной частицей. Когда положительный испытательный заряд помещается в поле, на заряд будет действовать сила в направлении силовых линий поля.

Концептуальные связи: силовые поля

Концепция силового поля также используется в связи с электрическим зарядом и представлена ​​в разделах «Электрический заряд» и «Электрическое поле».Это также полезная идея для всех основных сил, как будет показано в Физике элементарных частиц. Поля помогают нам визуализировать силы и то, как они передаются, а также точно описывать их и связывать силы с субатомными частицами-носителями.

Концепция месторождения была применена очень успешно; мы можем рассчитывать движения и описывать природу с высокой точностью, используя уравнения поля. Однако сколь бы полезной ни была концепция поля, она оставляет без ответа вопрос о том, что несет в себе силу. В последние десятилетия, начиная с работы Хидеки Юкавы (1907–1981) о сильном ядерном взаимодействии в 1935 году, было предложено, что все силы передаются посредством обмена элементарными частицами. Мы можем визуализировать обмен частицами как аналог макроскопических явлений, таких как два человека, передающие баскетбольный мяч взад и вперед, тем самым создавая силу отталкивания, не касаясь друг друга. (См. Рисунок 2.)

Рис. 2. Обмен масс, приводящий к силам отталкивания. (a) Человек, бросающий баскетбольный мяч, оказывает на него силу F p1 по направлению к другому человеку и ощущает силу реакции F B вдали от второго человека.(b) Человек, ловящий баскетбольный мяч, прикладывает к нему силу Fp2, чтобы остановить мяч, и ощущает силу реакции F ‘ B вдали от первого человека. (c) Аналогичный обмен мезоном между протоном и нейтроном несет между ними сильные ядерные силы F exch и F ‘ exch . Сила притяжения также может создаваться посредством обмена массой – если человек 2 оттягивает баскетбольный мяч от первого человека, когда он пытается удержать его, тогда сила между ними будет притягивающей.

Эта идея обмена частицами скорее углубляет, чем противоречит концепциям поля. С философской точки зрения более приятно думать о чем-то физическом, действительно движущемся между объектами, действующими на расстоянии. В таблице 1 перечислены обменные или частицы-носители , как наблюдаемые, так и предполагаемые, которые переносят четыре силы. Но настоящий плод предложения об обмене частицами состоит в том, что поиски частицы, предложенной Юкавой, обнаружили ее и , а также ряд других, которые были совершенно неожиданными, что стимулировало дальнейшие исследования.Все эти исследования в конечном итоге привели к предложению кварков в качестве основной субструктуры материи, что является основным принципом GUT. В случае успеха эти теории объяснят не только силы, но и структуру самой материи. Однако физика – экспериментальная наука, поэтому проверка этих теорий должна проводиться в реальном мире. На момент написания этой статьи ученые из лаборатории ЦЕРН в Швейцарии начинают проверять эти теории с помощью крупнейшего в мире ускорителя элементарных частиц: Большого адронного коллайдера.Этот ускоритель (27 км в окружности) позволяет двум пучкам протонов высокой энергии, движущимся в противоположных направлениях, сталкиваться. Будет доступна энергия в 14 миллионов электрон-вольт. Ожидается, что будут обнаружены некоторые новые частицы, возможно, частицы-носители силы. (См. Рис. 3.) Одним из представляющих большой интерес переносчиков силы, который надеются обнаружить исследователи, является бозон Хиггса. Наблюдение за его свойствами может сказать нам, почему разные частицы имеют разные массы.

Рисунок 3.Самый большой в мире ускоритель элементарных частиц находится на границе между Швейцарией и Францией. Два луча, движущиеся в противоположных направлениях, близких к скорости света, сталкиваются в трубе, подобной показанной здесь центральной трубе. Внешние магниты определяют путь луча. Специальные детекторы будут анализировать частицы, созданные в этих столкновениях. Будут исследованы такие широкие вопросы, как происхождение массы и что было материей в первые несколько секунд существования нашей Вселенной. Этот ускоритель введен в предварительную эксплуатацию в 2008 году.(кредит: Фрэнк Хоммс)

Крошечные частицы также имеют волнообразное поведение, о чем мы подробнее поговорим в следующей главе. Чтобы лучше понять частицы-носители силы с другой точки зрения, давайте рассмотрим гравитацию. Поиск гравитационных волн ведется уже несколько лет. Почти 100 лет назад Эйнштейн предсказал существование этих волн в рамках своей общей теории относительности. Гравитационные волны возникают при столкновении массивных звезд, в черных дырах или при взрывах сверхновых – как ударные волны.Эти гравитационные волны будут перемещаться в космосе из таких мест, подобно тому, как галька, брошенная в пруд, испускает рябь, за исключением того, что эти волны движутся со скоростью света. В США был построен детекторный прибор, состоящий из двух больших установок на расстоянии почти 3000 км друг от друга – в штате Вашингтон и в Луизиане! Объект называется Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром (LIGO). Каждая установка предназначена для использования оптических лазеров для изучения любого небольшого сдвига во взаимном расположении двух масс из-за воздействия гравитационных волн.Эти две площадки позволяют проводить одновременные измерения этих небольших эффектов отдельно от других природных явлений, таких как землетрясения. Первоначальная эксплуатация детекторов началась в 2002 году, и продолжаются работы по повышению их чувствительности. Подобные установки были построены в Италии (VIRGO), Германии (GEO600) и Японии (TAMA300), чтобы обеспечить всемирную сеть детекторов гравитационных волн.

Международное сотрудничество в этой области продвигается в космос с совместным проектом ЕС / США LISA (Laser Interferometer Space Antenna).Землетрясения и другие земные шумы не будут проблемой для этих космических аппаратов мониторинга. LISA дополнит LIGO, наблюдая за гораздо более массивными черными дырами посредством наблюдения источников гравитационных волн, излучающих гораздо большие длины волн. Три спутника будут размещены в космосе над Землей в форме равностороннего треугольника (со сторонами 5 000 000 км) (рис. 4). Система будет измерять относительное положение каждого спутника для обнаружения проходящих гравитационных волн. Для обнаружения любых волн потребуется точность с точностью до 10% от размера атома.Запуск этого проекта может быть уже в 2018 году.

«Я уверен, что LIGO расскажет нам что-то о Вселенной, чего мы не знали раньше. История науки говорит нам, что всякий раз, когда вы отправляетесь туда, где не были раньше, вы обычно находите что-то, что действительно потрясает научные парадигмы того времени. Будет ли это делать гравитационно-волновая астрофизика, покажет время ».

—Дэвид Рейтце, менеджер по входной оптике LIGO, Университет Флориды

Рисунок 4.Будущие космические эксперименты по измерению гравитационных волн. Здесь показан рисунок орбиты LISA. Каждый спутник LISA будет состоять из лазерного источника и массы. Лазеры будут передавать сигнал для измерения расстояния между тестовыми массами каждого спутника. Относительное движение этих масс даст информацию о проходящих гравитационных волнах. (кредит: НАСА)

Идеи, представленные в этом разделе, представляют собой лишь беглый взгляд на темы современной физики, которые будут рассмотрены более подробно в следующих главах.

Сводка раздела

  • Различные типы сил, которые классифицируются для использования во многих приложениях, по своей природе являются проявлениями четырех основных сил .
  • Свойства этих сил приведены в Таблице 1.
  • Все, что мы испытываем напрямую, без чувствительных инструментов, происходит из-за электромагнитных сил или сил гравитации. Ядерные силы ответственны за субмикроскопическую структуру вещества, но они не воспринимаются напрямую из-за их короткого радиуса действия.Предпринимаются попытки показать, что все четыре силы являются разными проявлениями одной объединенной силы.
  • Силовое поле окружает объект, создавая силу, и является носителем этой силы.

Концептуальные вопросы

1. Объясните в терминах свойств четырех основных сил, почему люди замечают гравитационную силу, действующую на их тела, если это такая сравнительно слабая сила.

2. Какая сила доминирует между астрономическими объектами? Почему три другие основные силы менее значительны на этих очень больших расстояниях?

3.Приведите подробный пример того, как обмен частицей может привести к силе притяжения . (Например, представьте, что один ребенок вытаскивает игрушку из рук другого.)

Задачи и упражнения

1. а) Какова сила слабого ядерного взаимодействия по сравнению с сильным ядерным взаимодействием? б) Какова сила слабого ядерного взаимодействия по отношению к электромагнитному? Поскольку слабое ядерное взаимодействие действует только на очень коротких расстояниях, например внутри ядер, где также действуют сильные и электромагнитные силы, может показаться удивительным, что мы вообще о нем знаем.У нас есть такие знания, потому что слабое ядерное взаимодействие отвечает за бета-распад, тип ядерного распада, который не объясняется другими силами.

2. а) Каково отношение силы гравитации к силе сильного ядерного взаимодействия? б) Каково отношение силы гравитации к силе слабого ядерного взаимодействия? (c) Каково отношение силы гравитации к силе электромагнитной силы? Что говорят ваши ответы о влиянии гравитационной силы на атомные ядра?

3.Каково отношение силы сильного ядерного взаимодействия к силе электромагнитного? Основываясь на этом соотношении, можно ожидать, что сильное взаимодействие доминирует над ядром, что верно для небольших ядер. Однако большие ядра имеют размеры больше, чем диапазон сильного ядерного взаимодействия. При таких размерах электромагнитная сила начинает влиять на ядерную стабильность. Эти факты будут использованы для объяснения ядерного синтеза и деления позже в этом тексте.

Глоссарий

частица носителя:
фундаментальная частица природы, окруженная характерным силовым полем; фотоны являются частицами-носителями электромагнитной силы
силовое поле:
область, в которой пробная частица будет испытывать силу

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 1 × 10 -13 (б) 1 × 10 -11

3. 10 2


Десять различных типов сил

Обновлено 8 ноября 2020 г.

Крис Дезиел

Сила имеет особое значение в физике и, в отличие от фильмов, не имеет ничего общего с основной гармонией Вселенной. В физике сила – это толчок или притяжение, возникающее в результате взаимодействия двух объектов. Сила может возникать в результате прямого контакта, например, когда ребенок толкает повозку, или в результате действия на расстоянии, такого как гравитационное притяжение, которое Земля оказывает на Луну.В рамках этих двух широких категорий можно выделить по крайней мере 10 различных сил, которые помогают формировать Вселенную и обусловливают наш опыт в ней.

Контактные силы

Когда он сформулировал свои законы движения, сэр Исаак Ньютон, несомненно, вообразил контактные силы в качестве основных примеров. Это силы, возникающие в результате прямого физического взаимодействия между двумя объектами. Согласно второму закону Ньютона:

F = ma

сила величиной F создает ускорение «а» при приложении к объекту с массой «m».«

Прикладная сила – это самый простой для понимания тип силы. Если нажать на объект, объект оттолкнется, – гласит Первый закон Ньютона, – до тех пор, пока величина силы не превысит инерцию объекта. объект начинает движение и, в отсутствие других сил, ускоряется на величину, пропорциональную величине его массы и приложенной силы.

Нормальная сила – Сила является векторной величиной, что означает, что ее величина зависит от направление.При любом взаимодействии между двумя объектами нормальная сила – это сила, перпендикулярная границе раздела между взаимодействующими объектами. Нормальная сила не всегда вызывает движение. Например, стол оказывает на книгу обычную силу, чтобы преодолеть силу тяжести и удержать книгу от падения.

Сила трения – Сила трения обычно препятствует движению. Это результат того факта, что поверхности в реальном мире не идеально гладкие. Величина силы трения, создаваемой поверхностью, зависит от коэффициента трения материала, из которого сделана поверхность, а также от движущегося по ней объекта.Сила трения неподвижного объекта, называемая трением покоя, отличается от силы трения движущегося объекта, называемой трением скольжения.

Air Resistance – Объекты, движущиеся в атмосфере Земли, сталкиваются с силой сопротивления, создаваемой трением, создаваемым молекулами воздуха. Эта сила усиливается с увеличением скорости и увеличением площади поверхности, перпендикулярной направлению движения. Это важное количество в авиационной и аэрокосмической промышленности.

Сила натяжения – Привяжите веревку к неподвижному объекту, потяните за другой конец, и веревка тянется назад, пока не порвется.Сила, которую оказывает струна, – это сила натяжения, приложенная по всей ее длине. Это свойство материала, из которого сделана струна, а также ее диаметр.

Усилие пружины – Величина силы, необходимой для сжатия пружины, зависит от материала, из которого изготовлена ​​пружина, диаметра проволоки, образующей витки, и количества витков. Эти свойства количественно выражены в числовой характеристике пружины, называемой жесткостью пружины «k».«Сила, необходимая для сжатия пружины на расстояние« x », определяется законом Гука:

F = kx

Действие на расстоянии Силы

Фундаментальные силы природы, которые поддерживают вращение планет, Солнца и звезд горящие все действуют на расстоянии. Без них Вселенная, которую мы знаем, вероятно, не существовала бы или, если бы она существовала, была бы совсем другим местом.

Гравитационная сила – Причина существования этой силы в том, что что-то вроде загадки, но если бы этого не было, планеты и звезды не смогли бы образоваться.Величина силы гравитации, которую объекты оказывают друг на друга, зависит от масс объектов и величины, обратной квадрату расстояния между ними. Чем массивнее объекты и / или чем короче расстояние между ними, тем сильнее сила.

Электромагнитная сила – Хотя они не кажутся одинаковыми, электричество и магнетизм связаны. Текущие электроны производят магнетизм, а движущийся магнит производит электричество. Связь между этими явлениями была объяснена шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 19 веке и количественно выражена в его уравнениях.Электричество оказывает силу посредством притяжения или отталкивания заряженных частиц, тогда как магнитная сила возникает из-за притяжения или отталкивания, вызванного магнитными полюсами.

Сильная сила – Поскольку все протоны заряжены положительно, они отталкиваются друг от друга, и они не смогли бы образовать атомное ядро, если бы не существовало сильной силы, удерживающей их вместе. Сильная сила – самая мощная сила в природе. Он также связывает кварки вместе с образованием протонов и нейтронов.

The Weak Force – Слабое взаимодействие – еще одна фундаментальная ядерная сила. Он сильнее гравитации, но работает только на бесконечно малых расстояниях. Слабое взаимодействие, переносимое субатомными пучками энергии, называемыми бозонами, заставляет протоны превращаться в нейтроны и наоборот во время ядерного распада. Без этой силы ядерный синтез был бы невозможен, а звезды, такие как Солнце, не существовали бы.

Что такое силы? (Физика) | Sciencing

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор GAYLE TOWELL

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

Из этой статьи 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 (положение в пространстве), и вы можете описать, как это положение изменяется во времени; скорость изменения положения в единицу времени – , скорость . Вы также можете описать, как эта скорость изменяется – скорость изменения скорости в единицу времени называется ускорением .

Все 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, вполне уверены, что он останется там, пока что-то не заставит его двигаться. Либо кто-то, идущий по тротуару, пинает его ногой, либо, возможно, камень достаточно легкий, чтобы его толкнул сильный ветер. Когда это происходит, его движение меняется. Физическая величина, вызывающая это изменение, как мы узнаем, – это сила.

Возможно, вы также чувствуете, что одни объекты перемещать труднее, чем другие.Представьте себе небольшой камешек по сравнению с тяжелым валуном. Вам нужно будет сильнее ударить по валуну, чтобы он сдвинулся с места. Точно так же, если два объекта – легкий и тяжелый – уже двигались, гораздо труднее сделать более тяжелую остановку.

Это сопротивление объекта любым изменениям в его движении называется его инерцией. Сколько силы требуется, чтобы вызвать определенное изменение, будет зависеть от массы, которая является мерой инерции.

Формализующие силы: от Аристотеля до Галилея и Ньютона

Идея силы существует уже давно, но в значительной степени ее не понимали 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 медленно останавливаются после того, как их толкнули.

Галилей, однако, опроверг эту идею и объяснил существование тормозящей силы, называемой трением. Он определил, что объекты продолжали бы двигаться по прямолинейным траекториям, если бы не было трения, замедляющего их.

Сэр Исаак Ньютон дал более широкую формализацию наблюдениям Галилея своими знаменитыми тремя законами движения.Он смог описать, какие силы действуют, как они действуют, и даже приписал концепции 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, если вспомнить, как пнуть 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 делать это, если на него не действует 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 является векторной суммой всех действующих сил), равна произведению массы объекта и ускорения. Другими словами:

F_ {net} = ma

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

Третий закон движения Ньютона объясняет, как силы возникают парами. Он гласит, что если объект A применяет силу к объекту B, то объект B применяет силу к объекту A, равную по величине и в противоположном направлении силы, действующей на объект B.

Третий закон Ньютона объясняет, почему оружие отдаётся при выстреле. и почему, если вы стоите на скейтборде и толкаетесь о стену, вы в конечном итоге катитесь назад.

Определение силы

Сила может рассматриваться как толчок или тяга. Если на объект действует только одна сила, эта единственная сила заставит движение объекта измениться обратно пропорционально его массе.

Сила – это векторная величина, означающая, что она имеет величину и направление. Направление чистой силы всегда совпадает с направлением ускорения или изменения движения (которое может быть противоположным направлению движения в таких ситуациях, когда объект замедляется.)

В системе СИ единицей силы является ньютон, где 1 Н = 1 кгм / с 2 . Единицей измерения CGS является дина, где 1 дина = 1 г · см / с 2 .

Примеры сил

Вы уже знаете, что вы можете приложить силу к объекту самостоятельно, толкнув его или потянув. Это называется контактной силой, потому что требует контакта. Но есть и много других типов сил.

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

  • Гравитационная сила: Сила тяжести на объекте может наблюдаться во время свободного падения, когда объект ускоряется по направлению к земля.Но гравитационная сила также удерживает планеты на орбите и не дает вам улететь в космос.
  • Нормальная сила: Это опорная сила, действующая перпендикулярно поверхности и предотвращающая падение предметов через пол или столешницу.
  • Электромагнитная сила: В совокупности это относится к магнитным силам и электростатическим силам. Эти типы сил являются результатом заряда или движущегося заряда. Это причина, по которой электроны отталкиваются друг от друга, а магниты слипаются.
  • Силы трения: Сила трения – это сила, которая препятствует движению объекта. По этой причине книгу сложнее сдвинуть по столу, чем по льду. Сила трения варьируется в зависимости от поверхностей, которые контактируют друг с другом.
  • Сопротивление воздуха: Эта сила аналогична трению. Он возникает из-за того, что воздух противодействует движению падающих сквозь него предметов. Если объект падает достаточно долго, сила сопротивления воздуха заставит его достичь конечной скорости.
  • Сила натяжения: Это тип силы, которая передается по струне, проволоке или чему-либо подобному.
  • Другие фундаментальные силы: Есть четыре фундаментальных силы природы. Два из них – это гравитация и электромагнетизм, которые уже были перечислены, а два других – это слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие. Последние два обычно влияют на вещи только на субатомном уровне, поэтому вы, возможно, никогда о них не слышали.

Диаграммы чистой силы и свободного тела

Второй закон Ньютона упоминает чистую силу.Чистая сила, действующая на объект, – это векторная сумма всех сил, действующих на объект.

Например, два человека могут толкать блок в противоположных направлениях с равными силами. Но результирующая сила оказывается равной 0, что означает, что блок не перемещается, потому что эти две силы нейтрализуют друг друга.

Диаграммы свободного 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, вероятно, набросаете множество этих диаграмм, потому что это помогает визуализировать действующие силы и дает более ясное представление о том, как сложить силы вместе, чтобы получить результирующую силу.

Если на объект нет действующей силы, это означает, согласно второму закону Ньютона, что ускорение объекта равно 0. Другими словами, объект должен иметь постоянную скорость.

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 – это чистая радиальная сила, вызывающая этот тип движения.

Силы и поля

Некоторые силы, кажется, действуют таинственным образом без контакта. Один из известных вам примеров – сила тяжести.Когда объект падает, земля притягивает этот объект 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 защищает вас от фотонных торпед!)

Гравитационное поле – это присвоение каждой точке пространства вектора, который указывает относительную величину и направление гравитационной силы в этой точке. местоположение независимо от того, какой объект может испытывать силу в этом месте.Величина гравитационного поля в любой заданной точке будет просто силой тяжести, которую почувствовала бы масса м в этом месте, но деленная на м .

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

Как и в случае с гравитационными полями, у вас также может быть электрическое поле или магнитное поле, которые описывают относительную силу на единицу заряда или (силу на единицу магнитного момента), которую объект будет ощущать в любом конкретном месте.

2.3: Типы сил – Physics LibreTexts

Gravity

Мы уже кое-что знаем о гравитации из нашего исследования свободного падения и движения снарядов. Мы знаем, что ускорение одинаково для объектов разной массы. Хотя мы использовали это в качестве модели, это большой шаг, чтобы утверждать, что гравитация в основном следует этому правилу. Мы знаем, что перо будет испытывать такое же ускорение силы тяжести, как камень, если убрать сопротивление воздуха. Теперь, как нам вернуть сопротивление воздуха в нашу модель, чтобы уменьшенное ускорение пера имело смысл?

Эффект пониженного ускорения легко показать с помощью FBD двух объектов, которые идентичны, за исключением массы, и падают в воздухе с одинаковой скоростью.Для этих двух объектов силы сопротивления воздуха равны, а сила тяжести больше на более тяжелом объекте. Таким образом, результирующие силы, действующие на два объекта, различны, что дает следующие ускорения:

\ [\ left. \ begin {array} {l} a _ {\ left (Heavy \ right)} = \ dfrac {F_ {gravity \; \ left (тяжелый \ right)} – ​​F_ {воздух}} {m_ {\ left (тяжелый \ right)}} \\ a _ {\ left (легкий \ right)} = \ dfrac {F_ {gravity \; \ left (light \ right)} – ​​F_ {воздух}} {m_ {\ left (light \ right)}} \\ g = \ dfrac {F_ {gravity}} {m} \\ \ end {array} \ right \} \; \; \; \Правая стрелка \;\;\; \ begin {array} {l} a _ {\ left (Heavy \ right)} = g – \ dfrac {F_ {air}} {m _ {\ left (Heavy \ right)}} \\ a _ {\ left ( light \ right)} = g – \ dfrac {F_ {air}} {m _ {\ left (light \ right)}} \ end {array} \]

Причина, по которой более тяжелая масса ускоряется больше, заключается просто в том, что сила сопротивления воздуха оказывает на нее меньшее влияние.Следует проявлять осторожность, чтобы не делать быстрых выводов, потому что можно сделать неправильный вывод об одной силе, не обращая внимания на вторую силу, которая присутствует. Один простой результат дает случай свободного падения без сопротивления воздуха:

\ [F_ {gravity} = ma, \ a = g \ \ Rightarrow F_ {gravity} = mg \]

Предупреждение

Важно понимать, что здесь \ (g \) имеет другое значение, чем когда мы обсуждали движение, связанное с ускорением, вызванным гравитацией.2} \)! Когда объект не испытывает никакой другой силы, кроме силы тяжести, ускорение объекта просто оказывается равным этой константе, но константа присутствует независимо от состояния ускорения объекта.

Напряжение

Когда мы моделируем проблемы, связанные с силами натяжения, действующими на струны или канаты, мы обычно предполагаем, что струна или канат не имеют массы. Если этого не сделать, возникнут сложные (но интересные!) Осложнения, которые, как правило, не являются предметом внимания данной проблемы.Например, представьте, что два человека ведут перетягивание каната, в котором один выигрывает и, следовательно, ускоряет другого. FBD только веревки показывает две силы на ней (если мы игнорируем гравитацию), по одной в каждом направлении. Когда один из людей выигрывает, ускоряются не только оба человека, но и веревка. Это означает, что на веревку действует чистая сила, и поэтому один человек тянет веревку сильнее, чем другой.

Если предположить, что канат безмассовый, то умноженное на массу ускорение для каната просто равно нулю, что означает, что на него нет действующей силы, несмотря на то, что он ускоряется.При отсутствии чистой силы на нем два комбатанта тянут его с равной силой, что означает, что, по сути, сила, которую один человек прилагает к нему, передается через веревку, чтобы воздействовать на другого человека. То есть веревка становится не чем иным, как случаем, когда два человека сцепляются за руки и тянут друг друга. Это позволяет нам использовать веревки как идеализированное средство, позволяющее объекту, находящемуся «рядом», воздействовать на другой объект на расстоянии. Без этого устройства нам пришлось бы либо создавать неудобные примеры, либо чрезмерно усложнять задачи, включая ускорение массивных веревок.

Предупреждение

Иногда веревки будут использоваться в качестве канала для выражения пар третьего закона («сила натяжения на A через B», где ни A, ни B не являются веревкой), но это опасно, потому что веревки могут также передавать силу вокруг веревки. шкив, и в этом случае пара сил третьего закона Ньютона явно не в противоположных направлениях.

Шкивы – еще один аспект натяжения, о котором мы должны сказать несколько слов. Если шкив испытывает трение при вращении или имеет некоторую массу (так что его вращение требует ускорения некоторой массы), тогда сила натяжения не передается на него незатронутой.На самом деле мы рассмотрим случай шкивов с массой позже в этом курсе, а пока мы идеализируем их, как канаты – без трения и без массы.

Нормальная (контактная) сила

Что отличает контактную силу от некоторых других, так это то, что это не более чем «балансир». Это означает, что его величина определяется не независимыми критериями, а деталями контакта. Например, если блок стоит на ровной поверхности стола, то нулевое ускорение блока означает, что результирующая сила на блоке равна нулю.Земля оказывает на блок силу тяжести, направленную вниз, поэтому должна быть уравновешивающая сила, направленная вверх, чтобы получить нулевую результирующую силу. Единственная другая сила, доступная здесь, – это сила контакта, поэтому ее величина регулируется, чтобы равняться силе тяжести на блоке. Если теперь привязать веревку к блоку и потянуть за нее с силой, меньшей, чем вес блока, она сохранит контакт со столешницей и останется неподвижной. На этот раз для уравновешивания сил величина контактного усилия, необходимого для создания баланса, уменьшается на величину силы натяжения, обеспечиваемой струной.

Основное место, где эта особенность контактной силы возникает в проблемах, – это весы (например, те, на которых вы стоите в своей ванной). Мы привыкли думать о весах как о чем-то, что измеряет вес, но это не так – они измеряют силу прикосновения! Для доказательства просто представьте, что вы прижимаете весы к вертикальной стене, а не стоите на ней.

Кинетическое трение

Вероятно, самая сложная и трудная для понимания из сил, о которых мы до сих пор упоминали, – это трение.Микроскопический механизм даже не так хорошо изучен, отчасти потому, что он имеет два разных режима. Этот первый из этих режимов связан с тем, что две поверхности могут быть очень неровными. Второй режим включает адгезионные связи, которые образуются между поверхностными молекулами каждого из задействованных объектов. Обратите внимание, что основная сила, задействованная в обоих случаях, имеет электрическую природу, но в первом случае она отталкивающая, а во втором – притягивающая.

Оба эти режима приводят к двум различным формам трения.Первое, что мы обсудим, включает в себя трение двух поверхностей друг о друга. Это называется кинетическое трение . Можно представить себе ряд факторов, влияющих на величину силы трения трения, которая может существовать между двумя объектами, но для нашей макроскопической модели мы сводим эти факторы всего к двум. Первая – это еще одна сила – нормальная сила между поверхностями. Чем сильнее поверхности прижимаются друг к другу, тем глубже сетка неровностей поверхности и тем больше молекул собирается вместе, чтобы соединиться.Экспериментально мы обнаруживаем, что сила трения растет примерно линейно с этой нормальной силой. Все остальные факторы мы объединяем в одну безразмерную константу, которая умножает величину нормальной силы, известную как коэффициент кинетического трения:

\ [f_k = \ mu_kN \]

Важно отметить, что наличие двух объектов, движущихся в контакте, не гарантирует возникновения кинетического трения – поверхности должны скользить друг по другу, .Например, мяч, катящийся по полу, который никоим образом не скользит, не испытывает кинетического трения.

Статическое трение

Вторую форму трения понять немного сложнее, хотя мы все это осознаем. Вместо силы, которая существует, когда две поверхности скользят друг по другу, этот тип трения представляет собой силу реакции, которая пытается предотвратить скольжение двух поверхностей друг по другу. Эта сила, известная как статическое трение , , отвечает за явление, которое мы испытываем, когда пытаемся что-то сдвинуть и терпим неудачу, пока не приложим достаточно усилий, чтобы заставить его скользить – с любой меньшей силой объект остается на месте.

Статическое трение очень похоже на контактную силу, поскольку это всего лишь балансир. Если вы надавите на что-то достаточно сильно, чтобы оно начало скользить, статическое трение больше не применяется, но если оно не начинает скользить, то это происходит потому, что сила статического трения уравновешивает этот толчок, что приводит к нулевому ускорению. Однако, в отличие от контактной силы, статическое трение имеет максимум – если другие силы достаточно велики, начнется скольжение, и сила трения перейдет от статической к кинетической.Этот максимум также считается константой, но соотношение между силой трения и силой контакта теперь является неравенством:

\ [f_s \ leq \ mu_s N \]

Чаще всего мы сталкиваемся с трением (кинетическим или статическим), когда объект находится в горизонтальной плоскости, например, стол на полу или тарелка на столе. Когда поверхность горизонтальна, нулевое вертикальное ускорение означает, что сила контакта равна весу, что означает, что сила трения прямо пропорциональна весу.Другими словами: «Тяжелые вещи трудно скользить по полу». Но этот прыжок не стоит совершать, поскольку не все поверхности горизонтальны (а ускорение не всегда равно нулю, например, в лифте). Величина (или максимальная величина) силы трения определяется контактной силой, а не силой тяжести и, конечно, не массой объекта.

Явление, с которым мы все знакомы, заключается в том, что для одних и тех же двух поверхностей, находящихся в контакте, коэффициент статического трения больше, чем коэффициент кинетического трения.То есть заставить объект скользить по поверхности труднее, чем заставить его скользить по ней. Концептуально это можно понять, подумав о двух микроскопических модах, которые мы обсуждали ранее. Когда поверхности скользят друг по другу, неровности не успевают слиться друг с другом, и молекулярные связи разрываются и повторно образуются, а в период до повторного формирования силы нет.

Это явление – главный виновник того, что многие люди ошибочно называют «инерцией».”Физические концепции коварно тонки: кто-то толкает объект по полу, ускоряя его из состояния покоя, и замечает, что его труднее заставить работать, чем поддерживать его. Затем они пытаются толкнуть более крупный объект и находят его даже Они пришли к выводу, что большая масса второго объекта означает, что у него «больше инерции, которую необходимо преодолеть», чтобы начать работу. Более того, эти люди, возможно, даже слышали о «законе инерции» и знайте, что масса связана с инерцией.

Теперь у нас есть инструменты для опровержения этого анализа. «Закон инерции» – это первый закон Ньютона. Этот закон гласит, что толкаемый объект «хочет» оставаться неподвижным, но закон не предусматривает минимальной силы, необходимой для преодоления «желания» объекта оставаться на месте. Воздействие толчка на объект определяется вторым законом Ньютона, и независимо от того, насколько велика масса или насколько мала результирующая сила, в результате будет ненулевое ускорение. Правильное объяснение этого явного явления инерции заключается в следующем: для объекта на горизонтальной поверхности нормальная сила равна силе тяжести.Сила тяжести пропорциональна массе объекта (она равна \ (mg \)), поэтому нормальная сила пропорциональна массе. Максимальная сила статического трения пропорциональна нормальной силе, поэтому она также пропорциональна массе. Следовательно, сила, необходимая для скольжения чего-либо по горизонтальной поверхности, оказывается пропорциональной массе объекта. Но это не внутреннее свойство массы – есть много важных шагов между количеством массы и тем, что люди называют «инерцией».«Без тщательного анализа делать поспешные выводы опасно.

Применение: антиблокировочная система тормозов

Тот факт, что коэффициент кинетического трения больше, чем коэффициент статического трения для тех же поверхностей, имеет наибольшее применение в изобретении, которое называется «антиблокировочная тормозная система». Когда шина идеально катится по поверхности дороги, поверхность шины не скользит по поверхности дороги, а это означает, что если присутствует какое-либо трение, то это статическое трение.Если вы задействуете тормоза, вращение шин замедлится до тех пор, пока не будет превышен максимум статического трения, после чего шины перестанут вращаться, и они будут скользить по поверхности дороги. Когда это происходит, сила трения в шинах уменьшается, потому что кинетическое трение меньше максимального статического трения. Таким образом, система ABS автоматически кратковременно отключает тормоза, чтобы шины снова поворачивались, восстанавливая идеальное качение и позволяя вернуться к статическому трению. Это все равно, что пытаться толкать тяжелую картонную коробку по полу очень короткими рывками – как только коробка начинает скользить (и ее становится легче толкать), вы останавливаетесь и начинаете все сначала.До изобретения систем ABS водителям предлагалось «слегка нажать на педаль тормоза» на скользкой дороге, чтобы добиться того же эффекта. Системы ABS работают за нас с гораздо большей частотой, чем мы могли бы управлять, и с большим эффектом.

Сопротивление воздуху (сопротивление)

Сопротивление воздуха иногда называют «трением воздуха», но, хотя оно обладает диссипативными качествами, аналогичными свойствам трения (как мы увидим при изучении энергии), механизм его действия совершенно иной.Сопротивление воздуха возникает из-за бесчисленных столкновений микроскопических частиц, составляющих атмосферу, и макроскопического объекта, движущегося через нее. Без движения не может быть столкновений, поэтому, в отличие от трения, нет «статического сопротивления воздуха». В этом классе мы действительно не будем иметь дело с сопротивлением воздуха строго математическим способом, в первую очередь потому, что гидродинамика – особенно сложный предмет (вот почему мы упрощаем задачи о снарядах, предполагая отсутствие сопротивления воздуха). Но мы можем определить несколько характеристик, которые имеют смысл:

  • площадь поперечного сечения – Любой, кто хоть раз высовывал руку из окна движущегося автомобиля, знает, что воздух толкает ее назад с большей силой, когда ладонь обращена вперед, чем когда она обращена вниз.Разница заключается в площади поперечного сечения, и это важно, потому что чем больше это значение, тем больше атмосферных частиц в секунду может попасть в руку. Очевидно, что если площадь удвоена, количество частиц, ударяющих объект в секунду, удваивается, поэтому сила сопротивления прямо пропорциональна площади поперечного сечения.

Предупреждение

«Площадь поперечного сечения» – это не то же самое, что «площадь поверхности». Площадь поверхности руки не меняется, когда она поворачивается из положения ладонью вперед в положение ладонью вниз, когда рука высовывается за окно.Важна площадь, перпендикулярная относительной скорости входящих частиц, составляющих воздух.

  • скорость – Возвращаясь к обычному опыту вытаскивания руки из окна движущегося автомобиля, мы знаем, что чем быстрее машина едет, тем больше сила в нашей руке. В этом случае точная математическая зависимость не так очевидна, как для площади поперечного сечения. Фактически, это может зависеть от относительной скорости воздуха по-разному для разных скоростей воздуха (или, точнее, от того, является ли воздушный поток упорядоченным или турбулентным).
  • Плотность воздуха
  • – Плотность – это мера того, сколько частиц вы найдете в данной небольшой области пространства. Если воздух очень плотный, то в поперечное сечение может попасть больше частиц, чем если бы воздух был менее плотным. Таким образом, сила сопротивления прямо пропорциональна плотности воздуха.

Мы не будем записывать или использовать конкретное уравнение для сопротивления воздуха, но мы можем использовать приведенные выше факты, чтобы сделать некоторые выводы. Представьте, что вы только что выпрыгнули из самолета, и сила тяжести Земли начинает уносить вас вниз.Это ускорение приводит к тому, что ваша скорость становится все больше и больше, и при этом сила сопротивления воздуха, направленная вверх на ваше тело, также увеличивается. Конечно, ваше нисходящее ускорение определяется не только силой тяжести, но, скорее, суммарной силой, действующей на ваше тело, которая уменьшается по мере роста сопротивления воздуха (противодействующего силе тяжести). В конце концов, вы едете достаточно быстро, чтобы сила сопротивления воздуха равнялась вашему весу, и вы перестали ускоряться. Скорость, с которой это происходит, известна как предельная скорость .Обратите внимание: когда вы натягиваете трос и парашют раскрывается, вы увеличиваете эффективную площадь поперечного сечения, и для достижения той же силы сопротивления не требуется большой скорости. Это хорошо, потому что позволяет вам удариться о землю со скоростью, не … гм … предельной.

Упругое (пружинное) усилие

Чтобы закрыть раздел о деталях сил, рассмотрим еще не упомянутый. Фактически, он может подпадать под категории как натяжения, так и силы контакта (и, следовательно, является одновременно притягивающим и отталкивающим), но у него есть приятная особенность, заключающаяся в том, что мы можем обрабатывать его более точно математически.Это называется упругостью или усилием пружины . Характерной особенностью этой силы является то, что она действует восстанавливающим образом (и, следовательно, является типом восстанавливающей силы ), что означает, что существует состояние равновесия, и любое отклонение от этого равновесия приводит к силе, действующей, чтобы вернуть объект в состояние равновесия.

Рисунок 2.3.1 – Упругая восстанавливающая сила

В частности, сила упругости пропорциональна отрыву объекта от его положения равновесия:

\ [| F_ {резинка} | = k | \ Delta x | \]

Эта сила всегда указывает из точки, в которую смещается объект, обратно в точку равновесия.Константа \ (k \) известна как постоянная пружины и имеет единицы Ньютонов на метр . Это показатель того, насколько «жесткая» пружина (то есть насколько трудно ее растянуть или сжать). Как всегда, важно помнить, что это модель силы пружины. Фактические пружины обычно отличаются от этого поведения, в некоторых случаях значительно. Но полезность этой модели для физики трудно переоценить. Действительно, эта модель нашла свое отражение буквально во всех уголках физической теории.

Хотя уравнение 2.3.5 хорошо описывает силу упругости, на самом деле есть хороший способ выразить ее в компактной форме в виде векторного уравнения. Рассматривая смещение от равновесия как вектор, мы видим, что направление силы точно противоположно, независимо от того, растянута или расширена пружина. Соответственно можно написать:

\ [\ overrightarrow F_ {elastic} = -k \ Delta \ overrightarrow x \]

Это уравнение широко известно как закон Гука .

Предупреждение

Обратите внимание, что использование «\ (\ Delta \)» в законе Гука отличается от того, как мы использовали его до этого момента – здесь это относится к разнице в положениях, а не к разнице между положениями «после» и «до».

фундаментальная сила | Определение, список и факты

Фундаментальная сила , также называемая фундаментальным взаимодействием , в физике любая из четырех основных сил – гравитационной, электромагнитной, сильной и слабой – которые определяют, как взаимодействуют объекты или частицы и как определенные частицы разлагаться.Все известные силы природы можно отнести к этим фундаментальным силам. Основные силы характеризуются на основе следующих четырех критериев: типы частиц, которые испытывают силу, относительная сила силы, диапазон, в котором сила эффективна, и природа частиц, которые опосредуют силу.

Подробнее по этой теме

субатомная частица: основные силы и их частицы-посредники

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

Гравитация и электромагнетизм были признаны задолго до открытия сильных и слабых взаимодействий, потому что их влияние на обычные объекты легко наблюдать. Гравитационная сила, 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, научное определение которой было дано Джеймсом Клерком Максвеллом в 19 веке, ответственна за отталкивание подобных и притяжение разнородных электрических зарядов; он также объясняет химическое поведение вещества и свойства света.Сильные и слабые взаимодействия были открыты физиками в 20 веке, когда они наконец проникли в ядро ​​атома. Сильное взаимодействие действует между кварками, составляющими всех субатомных частиц, включая протоны и нейтроны. Остаточные эффекты сильного взаимодействия связывают протоны и нейтроны атомного ядра вместе, несмотря на сильное отталкивание положительно заряженных протонов друг к другу. Слабое взаимодействие проявляется в определенных формах радиоактивного распада и ядерных реакциях, которые подпитывают Солнце и другие звезды.Электроны относятся к элементарным субатомным частицам, которые испытывают слабое взаимодействие, но не сильное.

Четыре силы часто описываются в соответствии с их относительной силой. Сильная сила считается самой мощной силой в природе. За ним в порядке убывания следуют электромагнитная, слабая и гравитационная силы. 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, что примерно равно диаметру протона.Когда две частицы, чувствительные к сильному взаимодействию, проходят на этом расстоянии, вероятность их взаимодействия высока. Дальность действия слабой силы еще меньше. Частицы, на которые воздействует эта сила, должны пройти в пределах 10 −17 метров друг от друга, чтобы взаимодействовать, и вероятность того, что они сделают это, мала даже на таком расстоянии, если только частицы не имеют высоких энергий. Напротив, гравитационные и электромагнитные силы действуют в бесконечном диапазоне. Другими словами, гравитация действует между всеми объектами Вселенной, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга, а электромагнитная волна, такая как свет от далекой звезды, распространяется в космосе в неизменном виде, пока не встретит некую частицу, способную ее поглотить.

В течение многих лет физики пытались показать, что четыре основные силы – это просто разные проявления одной и той же фундаментальной силы. Наиболее успешной попыткой такого объединения является теория электрослабого взаимодействия, предложенная в конце 1960-х годов Стивеном Вайнбергом, Абдусом Саламом и Шелдоном Ли Глэшоу. Эта теория, включающая квантовую электродинамику (квантово-полевую теорию электромагнетизма), рассматривает электромагнитные и слабые взаимодействия как два аспекта более базовой электрослабой силы, которая передается четырьмя частицами-носителями, так называемыми калибровочными бозонами.Одна из этих частиц-носителей – фотон электромагнетизма, а три других – электрически заряженные частицы W + 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.

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

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

Исследователи стремятся разработать всеобъемлющие теории, которые объединят все четыре основные силы природы.Однако до сих пор гравитация остается вне попыток создания таких унифицированных теорий поля.

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

Пятая сила природы – попробуем объяснить | Голос Америки

На этой неделе вы, возможно, видели заголовки об открытии пятой фундаментальной силы природы.Может быть, вы даже немного прочитали об этом, но потом, вероятно, бросили читать, потому что … физика элементарных частиц, кванты, бозоны, носители силы …

Отойдите от статей: мы здесь, чтобы помочь.

Если вы помните физику, которую изучали в школе, возможно, вы вспомнили о четырех фундаментальных силах природы.

Они не относятся ни к одному определенному порядку: гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие.

Пятый? Я должен знать остальных четверых?

Гравитацию довольно легко понять: любые две вещи, обладающие массой (атомы, люди, планеты, звезды), притягиваются друг к другу.Чем больше масса, тем сильнее тяга. Очень просто.

Электромагнетизм? Ну это просто, это смесь электричества и магнетизма. Да, но это не совсем объясняет, как это работает. Электромагнитная сила объясняет, как предметы, которые электрически заряжены (положительно или отрицательно), взаимодействуют друг с другом. Один из важных выводов: магнитный заряд может создавать электрический заряд, и наоборот. Эти взаимодействия несут ответственность за производство электроэнергии, что в некотором роде имеет большое значение.Электромагнетизм и то, как он толкает и притягивает объекты, отвечает за энергию в таких вещах, как батареи и магниты, но он также включает свет, который представляет собой просто волны электромагнитного излучения.

Два других – это слабое и сильное ядерные взаимодействия, и хотя они оба сильнее гравитации, они действуют только в крошечных пространствах между атомами и даже в меньших пространствах, где квантовая физика начинает делать все по-настоящему странными.

Сильное ядерное взаимодействие на самом деле является самым сильным из четырех известных сил и, по сути, клеем, который связывает все вместе.Он отвечает за поддержание стабильности протонов и нейтронов (которые вместе с электронами составляют атомы), а затем позволяет им связываться с атомными ядрами. С другой стороны, слабое взаимодействие отвечает за радиоактивный распад, в отличие от сильного взаимодействия, оно контролирует разрушение вещей на ядерном уровне. Да, кстати, он отвечает за термоядерный синтез и сохраняет наше солнце ярким и теплым.

Вот что представляют собой четыре силы, не вдаваясь в подробности того, как эти вещи работают.

Так что насчет пятой силы?

Но нам действительно нужно немного влезть в сорняки, потому что нам нужно знать, что заставляет гравитацию или какие-либо другие силы на самом деле делать свое дело.

Неужели одно тело с массой просто волшебным образом начинает двигаться к другому массивному объекту? Нет, это стало возможным благодаря вещам, называемым частицами-носителями силы. Носители силы – это частицы, которые переносят информацию между вещами и говорят им, как себя вести. Думайте о носителях силы как о маленьких карманных образованиях для каждой из четырех основных сил.Они не только устанавливают все правила поведения, но и заставляют силы (ха) действовать по этим правилам.

Носителями силы гравитации являются гипотетические объекты, называемые гравитонами, а для электромагнетизма – фотоны. Для слабого ядерного взаимодействия носители называются W- и Z-частицами, а для сильного ядерного взаимодействия – глюонами. Все эти переносчики силы классифицируются как примеры бозонов.

Но в прошлом году группа физиков Венгерской академии наук увидела то, что физический факультет Калифорнийского университета в Ирвине (UCI) назвал «загадочными аномалиями в своих экспериментальных данных».«Венгры не были уверены в том, что это за аномалии, но они указали на существование нового типа легкой частицы. Это почти все, что им удалось. Они не смогли выяснить, имеет ли эта новая частица массу или она была такой. новый вид бозона без массы, как фотон.

К сожалению, перефразируя Авраама Линкольна, мир «мало заметил и долго не помнил» работы венгерских ученых.

За исключением группы физиков под руководством Джонатана Фэна, профессора физики и астрономии Калифорнийского университета.Вместе со своей командой Фенг изучил работу венгров, провел множество других подобных экспериментов и решил, что венгры, возможно, действительно нашли новый вид бозона-носителя силы.

«Иногда, – говорит Фэн, – мы также называем это X-бозоном, где X означает неизвестное». Если они правы, новая частица-носитель силы означает, что должна быть новая сила, пятая фундаментальная сила.

Работа команд только что была опубликована в журнале Physical Review Letters .«Если это правда, то это революция», – сказал Фэн. «В течение десятилетий мы знали о четырех фундаментальных силах … это открытие возможной пятой силы полностью изменило бы наше понимание Вселенной с последствиями для объединения сил и темной материи».

И нет, мы даже не собираемся углубляться в темную материю.

Так где же пряталась эта сила? Фэн говорит, что в прошлом на это просто не обращали внимания. «Его взаимодействие очень слабое», – говорит Фэн.

Но он добавляет: «В небольших лабораториях по всему миру работает множество экспериментальных групп, которые могут проверить первоначальные утверждения, теперь, когда они знают, где искать».

Итак, что он делает и что это значит?

Эта новая сила очень похожа на электромагнетизм, но, по словам Тима Тейта, соавтора книги, «в то время как нормальная электрическая сила действует на электроны и протоны, этот недавно обнаруженный бозон взаимодействует только с электронами и нейтронами – и в чрезвычайно ограниченном диапазоне. .«

Но необходимы дополнительные исследования, чтобы точно определить, что ЭТО означает, когда речь идет о том, как работает физический мир.

Итак, если эта новая сила будет подтверждена, что она сделает для нашего понимания мира? Даже Фэн еще не знает. Но в предположениях недостатка нет. Это могло бы помочь ученым найти Святой Грааль физики, Теорию Великого Объединения. Эта пятая сила может помочь объединить эффекты электромагнитных, слабых и сильных ядерных взаимодействий, «проявлений, – говорит Фэн, – одной более грандиозной, более фундаментальной силы.”

Физики давно мечтают выяснить, работают ли вместе электромагнетизм, сильные и слабые ядерные силы, и это новое взаимодействие могло бы стать большой частью этой головоломки.

Если мы сможем доказать существование этой пятой силы, это приблизит нас на одну ступень к пониманию того, как работает наша Вселенная.

Понял?

Определение силы в физике

Сила – это количественное описание взаимодействия, которое вызывает изменение движения объекта.Объект может ускоряться, замедляться или менять направление в ответ на силу. Другими словами, сила – это любое действие, которое имеет тенденцию поддерживать или изменять движение тела или искажать его. Объекты толкаются или притягиваются действующими на них силами.

Контактная сила определяется как сила, возникающая при прямом контакте двух физических объектов друг с другом. Другие силы, такие как гравитация и электромагнитные силы, могут действовать даже в пустом космическом вакууме.

Ключевые выводы: ключевые термины

  • Force: Описание взаимодействия, которое вызывает изменение движения объекта.Он также может быть обозначен символом F.
  • .
  • Ньютон: Единица силы в Международной системе единиц (СИ). Он также может быть представлен символом N.
  • Контактные силы: Силы, возникающие, когда объекты касаются друг друга. Контактные силы можно разделить на шесть типов: растяжение, пружина, нормальная реакция, трение, трение воздуха и вес.
  • Бесконтактные силы: Силы, возникающие, когда два объекта не соприкасаются.Эти силы можно разделить на три типа: гравитационные, электрические и магнитные.

Единицы силы

Сила – это вектор; он имеет как направление, так и величину. В системе СИ единица измерения силы – ньютон (Н). Один ньютон силы равен 1 кг * м / с2 (где символ «*» означает «раз»).

Сила пропорциональна ускорению, которое определяется как скорость изменения скорости. С точки зрения математики, сила – это производная количества движения по времени.

Контактное и бесконтактное усилие

Во Вселенной есть два типа сил: контактные и бесконтактные. Контактные силы, как следует из названия, возникают, когда объекты касаются друг друга, например, удар по мячу: один объект (ваша нога) касается другого объекта (мяча). Бесконтактные силы – это силы, при которых объекты не касаются друг друга.

Контактные силы можно разделить на шесть различных типов:

  • Натяжение: , например, натянутая струна
  • Пружина: , например сила, возникающая при сжатии двух концов пружины
  • Нормальная реакция: , когда одно тело обеспечивает реакцию на приложенную к нему силу, например, мяч, отскакивающий от асфальта
  • Трение: сила, возникающая, когда объект движется по другому, например, мяч катится по асфальту
  • .
  • Воздушное трение: трение, возникающее, когда объект, например мяч, движется по воздуху
  • Вес: , когда тело притягивается к центру Земли под действием силы тяжести

Бесконтактные силы можно разделить на три типа:

  • Гравитационный: , который возникает из-за гравитационного притяжения между двумя телами
  • Электрический: , который возникает из-за электрических зарядов, присутствующих в двух телах
  • Магнитный: , который возникает из-за магнитных свойств двух тел, например, противоположных полюсов двух магнитов, притягиваемых друг к другу

Сила и законы движения Ньютона

Концепция силы была первоначально определена сэром Исааком Ньютоном в его трех законах движения.Он объяснил гравитацию как силу притяжения между телами, обладающими массой. Однако гравитация в рамках общей теории относительности Эйнштейна не требует силы.

Первый закон движения Ньютона гласит, что объект будет продолжать двигаться с постоянной скоростью, если на него не действует внешняя сила. Движущиеся объекты остаются в движении, пока на них не действует сила. Это инерция. Они не будут ускоряться, замедляться или менять направление, пока на них что-то не подействует. Например, если вы скользите хоккейной шайбой, она в конечном итоге остановится из-за трения о лед.

Второй закон движения Ньютона гласит, что сила прямо пропорциональна ускорению (скорости изменения количества движения) при постоянной массе. Между тем ускорение обратно пропорционально массе. Например, когда вы бросаете мяч, брошенный на землю, он оказывает направленную вниз силу; земля, в ответ, оказывает восходящую силу, заставляя мяч отскакивать. Этот закон полезен для измерения сил. Если вам известны два фактора, вы можете вычислить третий. Вы также знаете, что если объект ускоряется, на него должна действовать сила.

Третий закон движения Ньютона относится к взаимодействиям между двумя объектами. Он говорит, что на каждое действие есть равная и противоположная реакция. Когда сила применяется к одному объекту, она оказывает такое же воздействие на объект, который произвел силу, но в противоположном направлении. Например, если вы прыгаете с небольшой лодки в воду, сила, которую вы используете, чтобы прыгнуть вперед в воду, также толкнет лодку назад. Силы действия и противодействия действуют одновременно.

Основные силы

Есть четыре фундаментальных силы, которые управляют взаимодействиями физических систем. Ученые продолжают придерживаться единой теории этих сил:

1. Гравитация: сила, действующая между массами. Все частицы испытывают силу тяжести. Например, если вы держите мяч в воздухе, масса Земли позволяет мячу упасть из-за силы тяжести. Или, если птенец вылезет из своего гнезда, гравитация Земли притянет его к земле.Хотя гравитон был предложен в качестве частицы, опосредующей гравитацию, он еще не наблюдался.

2. Электромагнитная: сила, действующая между электрическими зарядами. Частица-посредник – фотон. Например, громкоговоритель использует электромагнитную силу для распространения звука, а система запирания дверей банка использует электромагнитные силы, чтобы плотно закрыть двери хранилища. Силовые цепи в медицинских инструментах, таких как магнитно-резонансная томография, используют электромагнитные силы, как и системы скоростного магнитного транспорта в Японии и Китае, называемые «маглев» для магнитной левитации.

3. Сильное ядерное: сила, удерживающая ядра атома вместе, при посредничестве глюонов, действующих на кварки, антикварки и сами глюоны. (Глюон – это частица-мессенджер, которая связывает кварки внутри протонов и нейтронов. Кварки – это фундаментальные частицы, которые вместе образуют протоны и нейтроны, в то время как антикварки идентичны кваркам по массе, но противоположны по электрическим и магнитным свойствам.

Оставить комментарий