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

Содержание

Равнодействующая сила, обозначение сил, нахождение проекций на оси

Тестирование онлайн

Определение

Это векторная сумма всех сил, действующих на тело.


Велосипедист наклоняется в сторону поворота. Сила тяжести и сила реакции опоры со стороны земли дают равнодействующую силу, сообщающую центростремительное ускорение, необходимое для движения по окружности

Взаимосвязь со вторым законом Ньютона

Вспомним закон Ньютона:

Равнодействующая сила может быть равна нулю в том случае, когда одна сила компенсируется другой, такой же силой, но противоположной по направлению. В этом случае тело находится в покое или движется равномерно.


Сила Архимеда уравновешивается силой тяжести, тело равномерно перемещается в жидкости вниз.

Сила тяжести уравновешивается силой упругости. Книга покоится

Если равнодействующая сила НЕ равна нулю, то тело движется равноускоренно. Собственно именно эта сила является причиной неравномерного движения. Направление равнодействующей силы всегда совпадает по направлению с вектором ускорения.

Когда требуется изобразить силы, действующие на тело, при этом тело движется равноускоренно, значит в направлении ускорения действующая сила длиннее противоположной. Если тело движется равномерно или покоится длина векторов сил одинаковая.


Сила реакции опоры (сила, направленная вверх) длиннее силы тяжести, так как шарик движется по окружности, центростремительное ускорение направлено вверх

Сила реакции опоры (сила, направленная вверх) короче силы тяжести, так как шарик движется по окружности, центростремительное ускорение направлено вниз. Вектор силы тяжести, направленный вниз, длиннее.

Нахождение равнодействующей силы

Для того, чтобы найти равнодействующую силу, необходимо: во-первых, верно обозначить все силы, действующие на тело; затем изобразить координатные оси, выбрать их направления; на третьем шаге необходимо определить проекции векторов на оси; записать уравнения. Кратко: 1) обозначить силы; 2) выбрать оси, их направления; 3) найти проекции сил на оси; 4) записать уравнения.

Как записать уравнения? Если в некотором направлении тело двигается равномерно или покоится, то алгебраическая сумма (с учетом знаков) проекций сил равна нулю. Если в некотором направлении тело движется равноускоренно, то алгебраическая сумма проекций сил равна произведению массы на ускорение, согласно второму закону Ньютона.


Примеры

На движущееся равномерно по горизонтальной поверхности тело, действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила трения и сила, под действием которой тело движется.

Обозначим силы, выберем координатные оси

Найдем проекции

Записываем уравнения

Тело, которое прижимают к вертикальной стенке, равноускоренно движется вниз. На тело действуют сила тяжести, сила трения, реакция опоры и сила, с которой прижимают тело. Вектор ускорения направлен вертикально вниз. Равнодействующая сила направлена вертикально вниз.



Тело равноускоренно движется по клину, наклон которого альфа. На тело действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила трения.



Главное запомнить

1) Если тело покоится или движется равномерно, то равнодействующая сила равна нулю и ускорение равно нулю;
2) Если тело движется равноускоренно, значит равнодействующая сила не нулевая;
3) Направление вектора равнодействующей силы всегда совпадает с направлением ускорения;
4) Уметь записывать уравнения проекций действующих на тело сил

Блок – механическое устройство, колесо, вращающееся вокруг своей оси. Блоки могут быть подвижными и неподвижными.

Неподвижный блок используется лишь для изменения направления силы.

Тела, связанные нерастяжимой нитью, имеют одинаковые по величине ускорения.

Подвижный блок предназначен для изменения величины прилагаемых усилий. Если концы веревки, обхватывающей блок, составляют с горизонтом равные между собой углы, то для подъёма груза потребуется сила вдвое меньше, чем вес груза. Действующая на груз сила относится к его весу, как радиус блока к хорде дуги, обхваченной канатом.

Ускорение тела А в два раза меньше ускорения тела В.

Фактически, любой блок представляет собой рычаг, в случае неподвижного блока — равноплечий, в случае подвижного — с соотношением плеч 1 к 2. Как и для всякого другого рычага, для блока справедливо правило: во сколько раз выигрываем в усилии, во столько же раз проигрываем в расстоянии

Также используется система, состоящая из комбинации нескольких подвижных и неподвижных блоков. Такая система называется полиспаст.

Сила Архимеда, равнодействующая сила, второй закон Ньютона. Тест

Вопрос 1. На поверхности воды плавает деревянный брусок массой 50 г. Чему равна выталкивающая сила (Н), действующая на брусок?

Вопрос 2. Цилиндр объемом 20 см3 погрузили в подсолнечное масло. Чему равна величина выталкивающей силы (кН), действующей на цилиндр? Плотность подсолнечного масла 940 кг/м3 .

Вопрос 3. Железная балка объемом 0,4 м3 погружается в воду. Определите натяжение троса (кН), с помощью которого опускают балку, когда она находится в воде. Плотность железа 7800 кг/м3, воды – 1000кг/м3.

Вопрос 4. Вес тела в воде в 5 раз меньше, чем в воздухе. Какова плотность вещества (кг/м3) тела?

Вопрос 5. Один конец нити закреплен на дне, а второй прикреплен к пробковому поплавку. При этом 0,75 всего объема поплавка погружено в воду. Определите силу натяжения нити, если масса поплавка равна 2 кг.

Вопрос 6. Определите наименьшую площадь (м2) плоской льдины толщиной 0,5 м, способной удержать на воде человека массой 75 кг.

Вопрос 7. Алюминиевый шарик массой 100 г падает в воде с постоянной по модулю скоростью. Определите силу сопротивления воды. Плотность алюминия , воды .

Вопрос 8. Определите ускорение алюминиевого шарика при его падении в воде. Плотность алюминия , воды . Силу сопротивления жидкости не учитывайте.

Вопрос 9. Алюминиевый шарик первый раз падает в воде, а второй раз – в керосине. Сила сопротивления жидкости при движении шарика равна половине действующей на него силы тяжести. Определите отношение ускорений шарика в воде и керосине. Плотность алюминия , воды , керосина

Вопрос 10. На плоском горизонтальном дне сосуда, наполненного жидкостью, лежит алюминиевая шайба массой 0,3кг. Плотность жидкости 900 кг/м3, алюминия 2700 кг/м3. Определите силу реакции дна сосуда, действующей на шайбу.

Вопрос 11. Пробковый пояс удерживает человека в морской воде, плотность которой составляет 1030 кг/м3, так, что его голова и плечи (1/8 объема) не погружены в воду. Определите объем пробкового пояса (дм3). Масса человека 70 кг, его объем 65,6 дм3.

Вопрос 12. Для определения плотности неизвестной жидкости однородное тело взвесили на пружинных весах в этой жидкости, а затем в вакууме и воде. Оказалось, что вес тела в жидкости равен 1,66 Н, в вакууме – 1,8 Н, в воде – 1,6 Н. Определите плотность жидкости (кг/м

3).

Вопрос 13. Какой массы (кг) балласт необходимо сбросить с равномерно опускающегося аэростата, чтобы он начал равномерно подниматься с той же скоростью? Масса аэростата с балластом 1600 кг, подъемная сила аэростата 12000 Н. Силу сопротивления воздуха считать одинаковой при подъеме и спуске.

Вопрос 14. В вертикальном сосуде, площадь поперечного сечения которого 200 см2, находится жидкость плотностью . На сколько поднимется уровень жидкости (в мм), если в сосуд поместить деревянный брусок массой 360 г?

Вопрос 15. Показания динамометра, к которому прикреплен полый латунный шар, находящийся в воздухе, составляют 2,2 Н. При погружении шара в воду динамометр показал 1,7 Н. Определите объем полости (в см

3). Плотность латуни

Вопрос 16. Куб, плавая в жидкости плотностью , погрузился в нее на глубину 20 см, а в жидкости плотностью – на 30 см. На какую глубину (см) он погрузится, плавая в жидкости, плотность которой равна среднему арифметическому плотностей двух первых?

Вопрос 17. Полый медный шар плавает в воде во взвешенном состоянии. Чему равен вес (в кН) шара в воздухе, если объем воздушной полости составляет 17,75 см3? Выталкивающей силой воздуха пренебречь.

Вопрос 18. Кусок пробки весит в воздухе 0,147 Н, кусок свинца – 1,1074 Н. Если эти куски связать, а затем подвесить к чашке весов и опустить в керосин, то показания весов составят 0,588 Н. Определите плотность пробки (кг/м3), учитывая, что плотность керосина равна 800 кг/м3, а свинца – 11400кг/м

3.

Вопрос 19. Металлический брусок плавает в сосуде, в который налита ртуть и вода. При этом брусок погружен в ртуть на ¼ и в воду на ½ своей высоты. Какова плотность (кг/м3) металла бруска?

Вопрос 20. Железный шар плавает в ртути. На сколько процентов от его общего объема уменьшится объем погруженной в ртуть части шара, если поверх ртути налить слой воды, полностью покрывающей этот шар?

Закон силы трения: объясняем сложную тему простыми словами

Определение силы трения

Когда мы говорим «абсолютно гладкая поверхность» — это значит, что между ней и телом нет трения. Такая ситуация в реальной жизни практически невозможна. Избавиться от трения полностью невероятно трудно.

Чаще при слове «трение» нам приходит в голову его «тёмная» сторона —  из-за трения скрипят и  прекращают качаться качели, изнашиваются детали машин. Но представьте, что вы стоите на идеально гладкой поверхности, и вам надо идти или бежать. Вот тут трение бы, несомненно, пригодилось. Без него вы не сможете сделать ни шагу, ведь между ботинком и поверхностью нет сцепления, и вам не от чего оттолкнуться, чтобы двигаться вперёд.

Трение — это взаимодействие, которое возникает в плоскости контакта поверхностей соприкасающихся тел.
Сила трения — это величина, которая характеризует это взаимодействие по величине и направлению. 

Основная особенность: сила трения приложена к обоим телам, поверхности которых соприкасаются, и направлена в сторону, противоположную мгновенной скорости движения тел друг относительно друга. Поэтому тела, свободно скользящие по какой-либо горизонтальной поверхности, в конце концов остановятся. Чтобы тело двигалось по горизонтальной поверхности без торможения, к нему надо прикладывать усилие, противоположное и хотя бы равное силе трения. В этом заключается суть силы трения. 

Откуда берётся трение

Трение возникает по двум причинам:

  1. Все тела имеют шероховатости. Даже у очень хорошо отшлифованных металлов в электронный микроскоп видны неровности. Абсолютно гладкие поверхности бывают только в идеальном мире задач, в которых трением можно пренебречь. Именно упругие и неупругие деформации неровностей при контакте трущихся поверхностей формируют силу трения. 
  2. Между атомами и молекулами поверхностей тел действуют электромагнитные силы притяжения и отталкивания. Таким образом, сила трения имеет электромагнитную природу.

Виды силы трения


В зависимости от вида трущихся поверхностей, различают сухое и вязкое трение. В свою очередь, оба подразделяются на другие виды силы трения.

  1. Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения:
  • трение скольжения,
  • трение покоя,
  • трение качения.  
  1. Вязкое трение возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.

Сила трения покоя 


Рассмотрим силу трения покоя подробнее.

Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник,  его нужно переставить на другое место.

Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу,  приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.

Пока силы равны,  холодильник остаётся на месте:

Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя.

Сила трения скольжения


Что же делать с холодильником и можно ли победить силу трения покоя? Не будет же она расти до бесконечности? 

Зовём на помощь друга, и вдвоём уже удаётся передвинуть холодильник. Получается, чтобы тело двигалось, нужно приложить силу, большую, чем самая большая сила трения покоя: 

Теперь на движущийся холодильник действует сила трения скольжения. Она возникает при относительном движении контактирующих твёрдых тел.

Итак, сила трения покоя может меняться от нуля до некоторого максимального значения — Fтр. пок. макс  И если приложенная сила больше,  чем Fтр. пок. макс, то у холодильника появляется шанс сдвинуться с места.

Теперь, после начала движения, можно прекратить наращивать усилие и ещё  одного друга можно не звать. Чтобы холодильник продолжал двигаться равномерно, достаточно прикладывать силу, равную силе трения скольжения: 

Как рассчитать и измерить силу трения


Чтобы понять, как измеряется сила трения, нужно понять, какие факторы влияют на величину силы трения. Почему так трудно двигать холодильник?

Самое очевидное — его масса играет первостепенную роль. Можно вытащить из него все продукты и тем самым уменьшить его массу, и, следовательно, силу давления холодильника на опору (пол). Пустой холодильник сдвинуть с места гораздо легче!
Следовательно, чем меньше сила нормального давления тела на поверхность опоры, тем меньше и сила трения. Опора действует на тело с точно такой же силой, что и тело на опору, только направленной в противоположную сторону. 

Сила реакции опоры обозначается N. Можно сделать вывод

Второй фактор, влияющий на величину силы трения, — материал и степень обработки соприкасающихся поверхностей. Так, двигать холодильник по бетонному полу гораздо тяжелее, чем по ламинату. Зависимость силы трения от рода и качества обработки материала обеих соприкасающихся поверхностей выражают через коэффициент трения.  

Коэффициент трения обозначается буквой μ (греческая буква «мю»). Коэффициент определяется отношением силы трения к силе нормального давления. 

Он чаще всего попадает в интервал  от нуля до единицы, не имеет размерности и определяется экспериментально.

Можно предположить, что сила трения зависит также от площади соприкасающихся поверхностей. Однако, положив холодильник набок, мы не облегчим себе задачу.

Ещё Леонардо да Винчи экспериментально доказал, что сила трения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей при прочих равных условиях.  

Сила трения скольжения, возникающая при контакте твёрдого тела с поверхностью другого твёрдого тела прямо пропорциональна силе нормального давления и не зависит от площади контакта. 

Этот факт отражён в законе Амонтона-Кулона, который можно записать формулой:

где  μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.

Для тела, движущегося по горизонтальной поверхности, сила реакции опоры по модулю равна весу тела: 

Сила трения качения


Ещё древние строители заметили, что если тяжёлый предмет водрузить на колёсики, то сдвинуть с места и затем  катить его будет гораздо легче, чем тянуть волоком. Вот бы пригодилась эта древняя мудрость, когда мы тянули холодильник!  Однако всё равно нужно толкать или тянуть тело, чтобы оно не остановилось. Значит, на него действует сила трения качения. Это сила сопротивления движению при перекатывании одного тела по поверхности другого.

Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности. Сила трения качения может быть в сотни раз меньше силы трения скольжения при той же силе давления на поверхность. Примерами уменьшения силы трения за счёт подмены трения скольжения на трение качения служат такие приспособления, как подшипники, колёсики у чемоданов и сумок, ролики на прокатных станах.

Направление силы трения

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно скорости относительного движения соприкасающихся тел. Важно помнить, что на каждое из соприкасающихся тел действует своя сила трения.

Бывают ситуации, когда сила трения не препятствует движению, а совсем наоборот.

Представьте, что на ленте транспортёра лежит чемодан. Лента трогается с места, и чемодан движется вместе с ней. Сила трения между лентой и чемоданом оказалась достаточной, чтобы преодолеть инерцию чемодана, и эти тела движутся как одно целое. На чемодан действует сила трения покоя, возникающая при взаимодействии соприкасающихся поверхностей, которая направлена по ходу движения ленты транспортёра.

 Если бы лента была абсолютно гладкой, то чемодан начал бы скользить по ней, стремясь сохранить своё состояние покоя. Напомним, что это явление называется инерцией.

Сила трения покоя, помогающая нам ходить и бегать, также направлена не против движения, а вперёд по ходу перемещения. При повороте же автомобиля  сила трения покоя и вовсе направлена к  центру окружности. 

Для того чтобы понять, как направлена сила трения покоя, нужно предположить, в каком направлении стало бы двигаться тело, будь поверхность идеально гладкой. Сила трения покоя в этом случае будет направлена как раз в противоположную сторону. Пример, лестница у стены.

Подведём итоги


  1. Сила трения покоя меняется от нуля до максимального значения 0 < Fтр.покоя < Fтр.пок.макс  в зависимости от внешнего воздействия.
  2. Максимальная сила трения покоя почти равна силе трения скольжения, лишь немного её превышая. Можно приближенно считать, что Fтр. = Fтр.пок.макс 
  3. Силу трения скольжения можно рассчитать по формуле Fтр. = μ ⋅ N,  где  μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.
  4. При равномерном прямолинейном скольжении по горизонтальной поверхности сила тяги равна силе трения скольжения Fтр. = Fтяги.
  5. Коэффициент трения μ зависит от рода и степени обработки  поверхностей 0 < μ < 1 . 
  6. При одинаковых силе нормального давления и коэффициенте трения сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.
Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду
PHYSICS72020 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается закон силы трения. 

Задачи на силу трения


Проверьте, насколько хорошо вы разобрались в теме «Сила трения», — решите несколько задач. Решение — приведено ниже. Но чур не смотреть, пока не попробуете разобраться сами.

  1. Однажды в день открытия железной дороги произошёл конфуз: угодливый чиновник, желая выслужиться перед Николаем I, приказал выкрасить рельсы белой масляной краской. Какая возникла проблема и как её удалось решить с помощью сажи?
  2. В один зимний день бабушка Нюра катала внука Алексея по заснеженной горизонтальной дороге. Чему равен коэффициент трения полозьев о снег, если сила трения, действующая на санки, равна 250 Н, а их масса вместе с Алексеем составляет 50 кг?
  3. На брусок массой m = 5 кг, находящийся на горизонтальной шероховатой поверхности μ = 0,7, начинает действовать сила F = 25 Н, направленная вдоль плоскости. Чему при этом равна сила трения, действующая на брусок?

Решения

  1. Масляная краска снизила коэффициент трения между колёсами и рельсами, что привело к пробуксовке, поезд не смог двигаться вперёд. Посыпав рельсы сажей, удалось решить проблему, так как коэффициент трения увеличился, и колёса перестали буксовать.
  2. Санки находятся в движении, следовательно, на них будет действовать сила трения скольжения, численно равная Fтр. = μ ⋅ N, где N — сила реакции опоры, которая, при условии горизонтальной поверхности, равняется весу санок с мальчиком: N = m ⋅ g.  Получаем формулу Fтр. = μ ⋅ m ⋅ g  , откуда выразим искомую величину 

Ответ задачи зависит от того, сдвинется ли брусок под действием внешнего воздействия. Поэтому вначале узнаем значение силы, которую нужно приложить к бруску для скольжения. Это будет максимально возможная сила трения покоя, определяющаяся по формуле Fтр. = μ ⋅ N , где N = mg (при условии горизонтальной поверхности). Подставляя значения, получаем, что Fтр. = 35 Н. Данное значение больше прикладываемой силы, следовательно брусок не сдвинется с места. Тогда сила трения покоя будет равна внешней силе: Fтр. = F = 25 H .

Сила тяжести – в чем измеряется? Чему равна?

Сила: что это за величина

В повседневной жизни мы часто встречаем, как любое тело деформируется (меняет форму или размер), ускоряется или тормозит, падает. В общем, чего только с разными телами в реальной жизни не происходит. Причиной любого действия или взаимодействия является сила.

Сила — это физическая векторная величина, которую воздействует на данное тело со стороны других тел.

Она измеряется в Ньютонах — это единица измерения названа в честь Исаака Ньютона.


Сила — величина векторная. Это значит, что, помимо модуля, у нее есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.

Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В данном случае результат выражается в направлении движения.



Сила тяготения

В 1682 году Исаак Ньютон открыл Закон Всемирного тяготения. Он звучит так: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула силы тяготения согласно этому закону выглядит так:

Закон Всемирного тяготения

F = GMm/R2

F — сила тяготения [Н]

M — масса первого тела (часто планеты) [кг]

m — масса второго тела [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6.67 × 10-11 м3 кг-1 с-2

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз.

Закон всемирного тяготения используют, чтобы вычислить силы взаимодействия между телами любой формы, если размеры тел значительно меньше расстояния между ними.

Если мы возьмем два шара, то для них можно использовать этот закон вне зависимости от расстояния между ними. За расстояние R между телами в этом случае принимается расстояние между центрами шаров.

Приливы и отливы существуют благодаря Закону Всемирного тяготения. В этом видео я рассказываю, что общего у приливов и прыщей

Несколько лет назад ученые открыли такое явление, как гравитационные волны — но это не тоже самое, что гравитация:

Источник: YouTube-канал «Это работает»

Сила тяжести

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает все тела.

Сила тяжести

F = mg

F — сила тяжести [Н]

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с2]

На планете Земля g = 9,8 м/с2

На первый взгляд сила тяжести очень похожа на вес тела. Действительно, в состоянии покоя на поверхности Земли формулы силы тяжести и веса идентичны. Но разница все-таки есть, давайте разбираться.

Эта формула и правда аналогична силе тяжести. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, разница состоит лишь в точке приложения силы.

Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.


Также, важно понимать, что сила тяжести зависит исключительно от массы и планеты, на которой тело находится. Вес зависит также от ускорения, с которым движутся тело или опора.

Например, в лифте вес тела зависит от того, куда и с каким ускорением движется тело. А силе тяжести все равно, куда и что движется — она не зависит от внешних факторов.

На второй взгляд сила тяжести очень похожа на силу тяготения. В обоих случаях мы имеем дело с притяжением — значит можем сказать, что это одно и то же. Практически.

Мы можем сказать, что это одно и то же, если речь идет о Земле и каком-то предмете, который к этой планете притягивается. Тогда мы можем даже приравнять эти силы и выразить формулу для ускорения свободного падения.

F = mg

F = GMm/R2

Приравниваем правые части:

mg = GMm/R2

Делим на массу левую и правую части:

g = GM/R2

Это и будет формула ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения для каждой планеты уникально, эта формула нужна.

Формула для ускорения свободного падения

g = GM/R2

F — сила тяготения [Н]

M — масса планеты [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6.67 × 10-11 м3 кг-1 с-2

А теперь задачка

Определить силу тяжести, действующую на тело массой 80 кг.

Решение:

Не смотря на кажущуюся простоту, тут есть над чем подумать.Вроде бы просто нужно взять формулу F = mg, подставить числа и дело в шляпе.

Да, но есть один нюанс: в значении ускорения свободного падения для Земли очень много знаков после запятой. В школе обычно дают то же значения, что мы указывали выше: g = 9,8 м/с2.

В экзаменах ОГЭ и ЕГЭ в справочных данных дают g = 10 м/с2.

И кому же верить?

Все просто: для кого решается задача, тот и главный. В экзаменах берем g = 10 , в школе при решении задач (если в условии задачи не написано что-то другое) берем g = 9,8 м/с2.

Итак, F = mg.

F = 80*10 = 800 Н

Ответ: 800 Н.

Учимся летать

В серии книг Дугласа Адамса «‎Автостопом по Галактике»‎ говорится, что летать — это просто промахиваться мимо Земли. Если ты промахнулся мимо Земли и достиг первой космической скорости 7,9 км/с, то ты стал искусственным спутником Земли.

Искусственный спутник Земли — космический летательный аппарат, который вращается вокруг Земли по геоцентрической орбите. Чтобы у него так получалось, аппарат должен иметь начальную скорость, равную или большую первой космической скорости.

Кстати, есть еще вторая и третья космические скорости. Вторая космическая скорость — это скорость, которая нужна, чтобы корабль стал искусственным спутником Солнца, а третья — чтобы вылетел за пределы солнечной системы.

Подробнее о возможностях полетов и невесомости читайте в нашей статье про вес тела.

Научить летать по-настоящему физика, конечно, не может, но обмануть систему и найти лазейки — это всегда пожалуйста. Запишите ребенка на бесплатный вводный урок в современную школу Skysmart: покажем, как у нас все устроено, определим план развития и влюбим в науку!

Урок 8. гравитационные силы – Физика – 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 8. Гравитационные силы

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1)познакомиться с явлением всемирного тяготения и сформулировать закон всемирного тяготения.

2) понять физический смысл гравитационной постоянной;

3) проанализировать некоторые физические явления на основе знаний закона всемирного тяготения;

Глоссарий по теме:

Закон всемирного тяготения – все материальные тела притягивают друг друга с силами прямо пропорциональными их массам и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними.

Тяготение – свойство материи, которое состоит в том, что между любыми двумя частицами существуют силы притяжения.

Масса тела – основная механическая величина, определяющая величину ускорения, сообщаемого телу данной силой.

Сила тяжести – векторная величина, определяющая силу притяжения к Земле любого тела.

Первая космическая скорость – наименьшая скорость, которую нужно сообщить телу на поверхности Земли, чтобы оно стало двигаться вокруг Земли по круговой орбите над её поверхностью только под действием силы гравитационного притяжения Земли

Вес – сила, с которой любое тело вследствие притяжения Земли действует на опору или подвес.

Невесомость – состояние, при котором вес тела равен нулю.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 89 – 106.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.:Дрофа,2009.

Открытые электронные ресурсы:

http://kvant.mccme.ru/1987/11/zakon_vsemirnogo_tyagoteniya.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В механике обычно имеют дело с тремя видами сил – силами тяготения, упругости и трения.

Силу, с которой Земля действует на тело, называют силой тяжести.

Ньютон является первым учёным, который открыл закон всемирного тяготения. Он строго доказал, что причина, вызывающая падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца, одна и та же. Эта сила всемирного тяготения, действующая между любыми телами Вселенной.

Ньютон после долгих наблюдений сделал вывод, что если бы не сопротивление воздуха, то траектория камня, брошенного с высокой горы с определённой скоростью, могла бы стать такой, что он никогда не достиг бы поверхности Земли, а двигался бы подобно тому, как планеты вокруг Солнца.

Исаак Ньютон сделал выводы:

1) ускорение и сила притяжения тел к Земле обратно пропорциональны квадрату расстояния до центра Земли:

2) Солнце сообщает всем планетам ускорение, обратно пропорциональное квадрату расстояния от планет до Солнца.

Ньютон нашёл причину множества явлений: от падения брошенного камня на землю до движения огромных космических тел. И причину этих явлений он выразил одной формулой – законом всемирного тяготения.

Закон всемирного тяготения

Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

F – модуль вектора силы гравитационного притяжения между телами с массами , находящимися на расстоянии r друг от друга.

G – это коэффициент, который называется гравитационной постоянной

Измерения показывают, что

Первая космическая скорость – минимальная скорость, которую надо сообщить телу на поверхности Земли, чтобы оно стало спутником Земли, движущимся по орбите.

Примеры и разбор решения заданий

1.На столе несколько гвоздиков, кнопка, ластик, карандаш. На какие из этих тел действует одинаковые силы тяжести?

1) на ластик и карандаш;

2) на гвозди;

3) на кнопку и карандаш;

4) на все эти тела.

Правильный ответ: на гвозди.

2. Чему равна сила тяжести, действующая на мяч массой 100 г, если он находится на космическом корабле? Космический корабль движется на высоте 1600 км над поверхностью Земли. Радиус Земли 6400 км. Масса Земли равна

Решение:

Ответ: F = 0,63 Н.

Силы в Природе

Силы в Природе

Несмотря на разнообразие сил, имеется всего четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационные силы заметно проявляются в космических масштабах. Одним из проявлений гравитационных сил является свободное падение тел. Земля сообщает всем телам одно и то же ускорение, которое называют ускорением свободного падения g. Оно незначительно меняется в зависимости от географической широты. На широте Москвы оно равно 9,8 м/с2.

Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сильные и слабые взаимодействия проявляются внутри атомных ядер и в ядерных превращениях.

Гравитационное взаимодействие существует между всеми телами, обладающими массами. Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном, гласит:

Сила взаимного притяжения двух тел, которые могут быть принятыми за материальные точки, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Коэффициент пропорциональности у называют гравитационной постоянной. Она равна 6,67 • 10-11 Н•м2/кг2.

Если на тело действует лишь гравитационная сила со стороны Земли, то она равна mg. Это и есть сила тяжести G (без учета вращения Земли). Сила тяжести действует на все тела, находящиеся на Земле, вне зависимости от их движения.

При движении тела с ускорением свободного падения (или даже с меньшим ускорением, направленным вниз) наблюдается явление полной или частичной невесомости.

Полная невесомость – отсутствие давления на подставку или на подвес. Вес – сила давления тела на горизонтальную опору или сила растяжения нити со стороны подвешенного к ней тела, которая возникает в связи с гравитационным притяжением данного тела к Земле.

Силы притяжения между телами неуничтожимы, тогда как вес тела может исчезнуть. Так, в спутнике, который двигается с первой космической скоростью вокруг Земли, вес отсутствует так же, как в лифте, падающем с ускорением g.

Примером электромагнитных сил являются силы трения и упругости. Различают силы трения скольжения и силы трения качения. Сила трения скольжения намного больше силы трения качения.

Сила трения зависит в некотором интервале от приложенной силы, которая стремится сдвинуть одно тело относительно другого. Прикладывая различную по величине силу, увидим, что небольшие силы не могут сдвинуть тело. При этом возникает компенсирующая сила трения покоя.

При отсутствии сил, сдвигающих тело, сила трения покоя равна нулю. Наибольшее значение сила трения покоя приобретает в момент, когда одно тело начинает двигаться относительно другого. В этом случае сила трения покоя становится равной силе трения скольжения:

где n – коэффициент трения, N – сила нормального (перпендикулярного) давления. Коэффициент трения зависит от вещества трущихся поверхностей и их шероховатости.

Сила упругости. Деформация: ее величина и типы. Закон Гука

 

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

Темы кодификатора ЕГЭ: силы в механике, сила упругости, закон Гука.

Как мы знаем, в правой части второго закона Ньютона стоит равнодействующая (то есть векторная сумма) всех сил, приложенных к телу. Теперь нам предстоит изучить силы взаимодействия тел в механике. Их три вида: сила упругости, гравитационная сила и сила трения. Начинаем с силы упругости.

 

Деформация.

 

Силы упругости возникают при деформациях тел. Деформация – это изменение формы и размеров тела. К деформациям относятся растяжение, сжатие, кручение, сдвиг и изгиб.
Деформации бывают упругими и пластическими. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия вызывающих её внешних сил, так что тело полностью восстанавливает форму и размеры. Пластическая деформация сохраняется (быть может, частично) после снятия внешней нагрузки, и тело уже не возвращается к прежним размерам и форме.

Частицы тела (молекулы или атомы) взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, имеющими электромагнитное происхождение (это силы, действующие между ядрами и электронами соседних атомов). Силы взаимодействия зависят о расстояний между частицами. Если деформации нет, то силы притяжения компенсируются силами отталкивания. При деформации изменяются расстояния между частицами, и баланс сил взаимодействия нарушается.

Например, при растяжении стержня расстояния между его частицами увеличиваются, и начинают преобладать силы притяжения. Наоборот, при сжатии стержня расстояния между частицами уменьшаются, и начинают преобладать силы отталкивания. В любом случае возникает сила, которая направлена в сторону, противоположную деформации, и стремится восстановить первоначальную конфигурацию тела.

Сила упругости – это сила, возникающая при упругой деформации тела и направленная в сторону, противоположную смещению частиц тела в процессе деформации. Сила упругости:

1. действует между соседними слоями деформированного тела и приложена к каждому слою;
2. действует со стороны деформированного тела на соприкасающееся с ним тело, вызывающее деформацию, и приложена в месте контакта данных тел перпендикулярно их поверхностям (типичный пример – сила реакции опоры).

Силы, возникающие при пластических деформациях, не относятся к силам упругости. Эти силы зависят не от величины деформации, а от скорости её возникновения. Изучение таких сил
выходит далеко за рамки школьной программы.

В школьной физике рассматриваются растяжения нитей и тросов, а также растяжения и сжатия пружин и стержней. Во всех этих случаях силы упругости направлены вдоль осей данных тел.

 

Закон Гука.

 

Деформация называется малой, если изменение размеров тела много меньше его первоначальных размеров. При малых деформациях зависимость силы упругости от величины деформации оказывается линейной.

Закон Гука. Абсолютная величина силы упругости прямо пропорциональна величине деформации. В частности, для пружины, сжатой или растянутой на величину , сила упругости даётся формулой:

(1)

где – коэффициент жёсткости пружины.

Коэффициент жёсткости зависит не только от материала пружины, но также от её формы и размеров.

Из формулы (1) следует, что график зависимости силы упругости от (малой) деформации является прямой линией (рис. 1 ):

Рис. 1. Закон Гука

 

Коэффициент жёсткости – о угловой коэффициент в уравнении прямой . Поэтому справедливо равенство:

,

где – угол наклона данной прямой к оси абсцисс. Это равенство удобно использовать при экспериментальном нахождении величины .

Подчеркнём ещё раз, что закон Гука о линейной зависимости силы упругости от величины деформации справедлив лишь при малых деформациях тела. Когда деформации перестают быть малыми, эта зависимость перестаёт быть линейной и приобретает более сложный вид. Соответственно, прямая линия на рис. 1 – это лишь небольшой начальный участок криволинейного графика, описывающего зависимость от при всех значениях деформации .

 

Модуль Юнга.

 

В частном случае малых деформаций стержней имеется более детальная формула, уточняющая общий вид ( 1 ) закона Гука.

Именно, если стержень длиной и площадью поперечного сечения растянуть или сжать
на величину , то для силы упругости справедлива формула:

.

Здесь – модуль Юнга материала стержня. Этот коэффициент уже не зависит от геометрических размеров стержня. Модули Юнга различных веществ приведены в справочных таблицах.

 

Сильная сила | физика | Britannica

Сильная сила , фундаментальное взаимодействие природы, которое действует между субатомными частицами материи. Сильное взаимодействие связывает кварки в кластеры, образуя более знакомые субатомные частицы, такие как протоны и нейтроны. Он также скрепляет атомное ядро ​​и лежит в основе взаимодействия между всеми частицами, содержащими кварки.

Подробнее по этой теме

субатомная частица: сильная сила

Хотя удачно названное сильное взаимодействие является самым сильным из всех фундаментальных взаимодействий, оно, как и слабое взаимодействие, является короткодействующим и…

Сильная сила возникает в свойстве, известном как цвет. Это свойство, не имеющее отношения к цвету в визуальном смысле слова, в чем-то аналогично электрическому заряду. Подобно тому, как электрический заряд является источником электромагнетизма или электромагнитной силы, цвет является источником сильной силы. Частицы без цвета, такие как электроны и другие лептоны, не «чувствуют» сильную силу; частицы с цветом, в основном кварки, действительно «чувствуют» сильное взаимодействие.Квантовая хромодинамика, квантовая теория поля, описывающая сильные взаимодействия, получила свое название от этого центрального свойства цвета.

Протоны и нейтроны являются примерами барионов, класса частиц, содержащих три кварка, каждый с одним из трех возможных значений цвета (красный, синий и зеленый). Кварки могут также объединяться с антикварками (их античастицами, имеющими противоположный цвет) с образованием мезонов, таких как пи-мезоны и K-мезоны. У всех барионов и мезонов чистый цвет равен нулю, и кажется, что сильное взаимодействие позволяет существовать только комбинациям с нулевым цветом.Попытки выбить отдельные кварки, например, при столкновении частиц высоких энергий, приводят только к созданию новых «бесцветных» частиц, в основном мезонов.

В сильных взаимодействиях кварки обмениваются глюонами, переносчиками сильного взаимодействия. Глюоны, как и фотоны (частицы-мессенджеры электромагнитной силы), представляют собой безмассовые частицы с целой единицей собственного спина. Однако, в отличие от фотонов, которые не заряжены электрически и поэтому не чувствуют электромагнитной силы, глюоны несут цвет, а это означает, что они действительно ощущают сильную силу и могут взаимодействовать между собой.Одним из результатов этого различия является то, что на небольшом расстоянии (около 10 −15 метров, примерно диаметр протона или нейтрона) сильное взаимодействие, в отличие от других сил, становится сильнее с увеличением расстояния.

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

По мере того, как расстояние между двумя кварками увеличивается, сила между ними увеличивается, скорее, как напряжение в куске резинки, когда два его конца раздвигаются. В конце концов резинка сломается, и останется две части.Нечто подобное происходит с кварками, поскольку при достаточной энергии из кластера «вытягивается» не один кварк, а пара кварк-антикварк. Таким образом, кажется, что кварки всегда заперты внутри наблюдаемых мезонов и барионов – явление, известное как конфайнмент. На расстояниях, сопоставимых с диаметром протона, сильное взаимодействие между кварками примерно в 100 раз больше, чем электромагнитное взаимодействие. Однако на меньших расстояниях сильное взаимодействие между кварками ослабевает, и кварки начинают вести себя как независимые частицы – эффект, известный как асимптотическая свобода.

Четыре основные силы природы

От прогулки по улице до запуска ракеты в космос и приклеивания магнита к холодильнику – физические силы действуют повсюду вокруг нас. Но все силы, которые мы испытываем каждый день (и многие, о которых мы не подозреваем, мы испытываем каждый день), можно свести к четырем фундаментальным силам:

  1. Гравитация.
  2. Слабая сила.
  3. Электромагнетизм.
  4. Сильная сила.

Их называют четырьмя фундаментальными силами природы, и они управляют всем, что происходит во Вселенной.

Гравитация

Гравитация – это притяжение между двумя объектами, обладающими массой или энергией, будь то падение камня с моста, планета, вращающаяся вокруг звезды, или луна, вызывающая океанские приливы. Гравитация, вероятно, является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, но также и одной из самых сложных для объяснения.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную яблоком, падающим с дерева.Он описал гравитацию как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предположил, что гравитация не является притяжением или силой. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.

Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактику , она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях.Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или ногу поднять? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.

Связано: 6 повседневных вещей, которые странно происходят в космосе

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие , также называемое слабым ядерным взаимодействием, отвечает за распад частиц.Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино , которое отклоняется близко к нейтрону, может превратить нейтрон в протон, в то время как нейтрино станет электроном.

Физики описывают это взаимодействие через обмен несущими силу частицами, называемыми бозонами. Определенные виды бозонов ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны – это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами.На расстоянии 18 метров, или 0,1% диаметра протона друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы, согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия .

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Именно поэтому археологи могут использовать углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов.Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов; один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, который имеет семь протонов и семь нейтронов. Этот распад происходит с предсказуемой скоростью, что позволяет ученым определить возраст таких артефактов.

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Вот крупный план солнечной вспышки класса M7.6, вспыхнувшей на Солнце 23 июля 2016 года, как это видно из обсерватории солнечной динамики НАСА.(Изображение предоставлено НАСА)

Электромагнитная сила

Электромагнитная сила, также называемая силой Лоренца, действует между заряженными частицами, такими как отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые – отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать с бесконечного расстояния (хотя на таком расстоянии сила была бы очень, очень маленькой).

Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы .Сначала физики описывали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи поняли, что эти две силы являются компонентами одной и той же силы.

Электрический компонент действует между заряженными частицами, независимо от того, движутся они или неподвижны, создавая поле, с помощью которого заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы начинают проявлять вторую составляющую – магнитную силу. При движении частицы создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.

Связано: Как работает магнитное поле Солнца (инфографика)

Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами, называемыми фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, которые переключаются между заряженными частицами, представляют собой другое проявление фотонов. По данным Университета Теннесси , Ноксвилл , они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия.

Электромагнитная сила отвечает за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Он даже отвечает за сопротивление, которое испытывают птицы, самолеты и даже Супермен во время полета. Эти действия могут происходить из-за взаимодействия заряженных (или нейтрализованных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.

Сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием электромагнитной силы: электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги. (Изображение предоставлено NASA / Shutterstock)

Сильная ядерная сила

Сильная ядерная сила , также называемая сильным ядерным взаимодействием, является самой сильной из четырех фундаментальных сил природы. Это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6!) Раз сильнее силы тяжести, согласно веб-сайта HyperPhysics .-15 метров друг от друга, или примерно в пределах диаметра протона, согласно веб-сайта HyperPhysics .

Сильное взаимодействие – это странно, потому что, в отличие от других фундаментальных сил, оно становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. По данным Fermilab , он действительно достигает максимальной прочности, когда частицы находятся дальше всего друг от друга. Попадая в зону досягаемости, безмассовые заряженные бозоны, называемые глюонами, передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными».Крошечная часть сильного взаимодействия, называемого остаточным сильным взаимодействием, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть это отталкивание, поэтому частицы остаются связанными в ядре атома .

Связано: Ядерные генераторы питают НАСА Зонды дальнего космоса (инфографика)

Объединяющая природа

Неурегулированный вопрос четырех фундаментальных сил заключается в том, являются ли они на самом деле проявлениями только одной великой силы Вселенной.Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.

Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы . Физики, работающие над созданием так называемой теории великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное взаимодействие, которое модели предсказывали, но исследователи еще не наблюдали.Последний кусок головоломки потребует объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки так называемой теории всего , теоретической основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.

Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровне квантовая механика лучше всего описывает мир природы.И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.

Многие физики стремятся объединить фундаментальные силы в единую теорию – теоретическую основу, которая могла бы объяснить всю Вселенную. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Физики, изучающие квантовую гравитацию, стремятся описать силу в терминах квантового мира, что могло бы помочь в слиянии. Фундаментальным для этого подхода было бы открытие гравитонов, теоретического силового бозона гравитационной силы.Гравитация – единственная фундаментальная сила, которую физики в настоящее время могут описать без использования частиц, несущих силу. Но поскольку для описания всех других фундаментальных сил требуются частицы, несущие силу, ученые ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне – исследователи просто еще не нашли эти частицы.

Еще больше усложняет историю невидимое царство темной материи и темной энергии , которые составляют примерно 95% Вселенной. Неясно, состоят ли темная материя и энергия из одной частицы или из целого набора частиц, которые обладают собственными силами и бозонами-посланниками.

Первичной частицей-посланником, представляющей интерес в настоящее время, является теоретический темный фотон, который будет посредником взаимодействий между видимой и невидимой вселенной. Если темные фотоны существуют, они были бы ключом к обнаружению невидимого мира темной материи и могли бы привести к открытию пятой фундаментальной силы . Однако пока нет доказательств существования темных фотонов , и некоторые исследования предоставили убедительные доказательства того, что этих частиц не существует .

Дополнительные ресурсы:

Что такое четыре основные силы природы?

Фундаментальная сила природы – это притяжение или отталкивание между объектами, описанное посредством взаимодействий между полями и частицами.

Физики определили четыре основных типа этих взаимодействий, которые вместе описывают каждое действие, которое мы наблюдаем во Вселенной, от распада атомных частиц до дрейфа целых галактик.

Что такое сильная ядерная сила?

Сильное ядерное взаимодействие – это то, что удерживает вместе ядра атомов.

Протоны и нейтроны, составляющие ядро ​​атома, сами состоят из трех более простых частиц, называемых кварками. Частица, называемая глюоном, действует на свойство кварков, называемое , цвет , создавая силу притяжения.

В отличие от трех других фундаментальных сил, чем дальше должен пройти глюон, тем сильнее становится ядерное взаимодействие. В масштабе протонов и нейтронов этот пружинный эффект делает невероятно трудным разделение кварков. Это помогает объяснить, почему сильная сила так сильна.

В масштабе всего ядра атома сила также связывает целые протоны и нейтроны друг с другом. Протоны также отталкивают друг друга благодаря электромагнитной силе, устанавливая хрупкое равновесие между атомными ядрами.

Что такое электромагнетизм?

Электромагнетизм – это сила притяжения и отталкивания между частицами со свойством charge , которое бывает двух видов – положительное и отрицательное. Объекты с одинаковым зарядом будут оказывать отталкивающее действие друг на друга, в то время как объекты с разным зарядом будут иметь эффект притяжения.

Это сила, которая наиболее очевидна в нашей повседневной жизни. Благодаря взаимодействию отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов он позволяет отдельным атомам объединяться в разные материалы. Сила также переносится через электромагнитное поле частицей, называемой фотоном, которая благодаря химическим изменениям в наших глазах воспринимается нашим телом как свет.

Что такое слабое ядерное взаимодействие?

Из всех фундаментальных сил слабое ядерное взаимодействие сложнее всего понять.Он описывает, как кварки, составляющие ядерные частицы, могут переходить из одной формы в другую. Сила переносится частицами, называемыми W- и Z-бозонами.

Слабая сила действует на невероятно коротком расстоянии, равном примерно 0,1 процента диаметра протона. Когда частица, такая как нейтрино, подходит вплотную к кварку, слабое взаимодействие заставляет кварк изменяться, посылая W-бозон. Это может превратить нейтрон в протон (создавая при этом совершенно новый элемент), а нейтрино в электрон. 29 раз слабее слабой ядерной силы.Это означает, что он практически не оказывает заметного влияния на масштабы крошечных частиц и становится актуальным только на более космическом уровне.

Существует ли более четырех основных сил?

Хотя Стандартная модель физики описывает только четыре носителя силы и их эффекты, мало что может помешать гипотетическому существованию большего количества сил в альтернативных моделях.

В последние годы в экспериментах на высоких энергиях были обнаружены проблески потенциально новых частиц с характеристиками неизвестного носителя силы.Тонкие эффекты этой силы можно увидеть в направлениях, по которым субатомные частицы испускаются во время некоторых видов распада. Их существование могло даже быть объяснением темной материи.

На данный момент любые дополнительные силы весьма спекулятивны. Будущие эксперименты могут их исключить или – возможно, – найти новую физику, которая покажет, что во Вселенной существует более четырех сил.

Все разъяснители определены специалистами по проверке фактов как правильные и актуальные на момент публикации.Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции, чтобы информация оставалась актуальной.

Четыре основных силы – Введение – Физика колледжа, главы 1-17

Сводка

  • Поймите четыре основные силы, лежащие 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 – это единственная сила, которую мы испытываем напрямую, которая не является электромагнитной.) Это огромное упрощение множества из , по-видимому, различных сил, которые мы можем перечислить, лишь некоторые из которых обсуждались в предыдущем разделе. Как мы увидим, предполагается, что все основные силы действуют посредством обмена микроскопическими частицами-носителями, а характеристики основных сил определяются типами обмениваемых частиц. Действие на расстоянии, такое как сила тяготения 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 суммированы 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. 0 [/ latex] Сильная ядерная [латекс] \ boldsymbol {1} ​​[/ латекс] [латекс] \ boldsymbol { привлекательный и отталкивающий глюонов Таблица 1. Свойства четырех основных сил 1 .

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 дальнодействующие силы, которые действуют на чрезвычайно больших расстояниях и практически 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 по отдельности в конкретных приложениях из-за того, как они проявляются.

КОНЦЕПЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ: 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 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.

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 [латекс] \ boldsymbol {w = mg} [/ latex] на поверхности Земли), и движения могут быть рассчитаны по этим уравнениям .(См. Рисунок 1.)

Рисунок 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.

КОНЦЕПЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ: СИЛОВЫЕ ПОЛЯ


Концепция силового поля также используется в связи с электрическим зарядом и представлена ​​в главе 18 «Электрический заряд и электрическое поле». Это также полезная идея для всех основных сил, как будет показано в главе 33 «Физика 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 вперед и назад, тем самым создавая силу отталкивания, не касаясь друг друга. (См. Рисунок 2.)

Рис. 2. Обмен масс, вызывающий силы отталкивания. (a) Человек, бросающий баскетбольный мяч, прилагает к нему силу F p1 по направлению к другому человеку и ощущает силу реакции на расстоянии F B от второго человека. (b) Человек, ловящий баскетбольный мяч, прикладывает к нему силу F p2 , чтобы остановить мяч, и чувствует силу реакции F ’ B от первого лица.(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 оттащил баскетбольный мяч от первого человека, когда он пытался удержать его, тогда сила между ними была бы 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 частиц носителя , 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 , 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 лаборатории CERN в Швейцарии начали 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 триллионов 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.

Рис. 3. Крупнейший 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. Предварительная эксплуатация этого ускорителя началась в 2008 году. (Фото: Фрэнк Хоммс)

Крошечные частицы также имеют волнообразное поведение, что мы подробнее рассмотрим 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 распространяться в космосе из таких мест, как галька, брошенная в пруд, излучает 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 – одна в штате Вашингтон и одна 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 в пределах 10% от размера атома. Запуск этого проекта может быть уже в 2018 году.

«Я уверен, что LIGO расскажет нам о Вселенной что-то, 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 астрофизика гравитационных волн, покажет время ». – Дэвид Рейтце, менеджер по входной оптике LIGO, Университет Флориды,

Рисунок 4. Космические будущие 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.

  • 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 доминирующая сила 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 притягивающей силе . (Например, представьте, что один ребенок вытаскивает игрушку из рук другого.)

Задачи и упражнения

1: (a) Какова сила слабого ядерного взаимодействия по сравнению с сильным ядерным взаимодействием? б) Какова сила слабого ядерного взаимодействия по сравнению с электромагнитным? 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.{\ boldsymbol {0}} [/ latex] называются векторными бозонами; они были предсказаны теорией и впервые обнаружены в 1983 году. Учеными было предложено восемь типов глюонов, и на их существование указывает мезонный обмен в ядрах атомов.

Глоссарий

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

Решения

Задачи и упражнения

1:

(а) [латекс] \ boldsymbol {1 \ times10 ^ {- 13}} [/ латекс]

(b) [латекс] \ boldsymbol {1 \ times10 ^ {- 11}} [/ латекс]

3:

[латекс] \ boldsymbol {10 ^ 2} [/ латекс]

Четыре основных силы физики

Фундаментальные силы (или фундаментальные взаимодействия) физики – это способы взаимодействия отдельных частиц друг с другом.Оказывается, каждое отдельное взаимодействие, наблюдаемое во Вселенной, можно разбить и описать только четырьмя (ну, обычно четырьмя – подробнее об этом позже) типами взаимодействий:

Гравитация

Из фундаментальных сил гравитация имеет наибольшее влияние, но самая слабая по действительной величине.

Это чисто притягательная сила, которая проникает даже через «пустую» пустоту пространства, притягивая две массы друг к другу. Он удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и Луны на орбите вокруг Земли.

Гравитация описывается в рамках общей теории относительности, которая определяет ее как искривление пространства-времени вокруг объекта массы. Эта кривизна, в свою очередь, создает ситуацию, когда путь наименьшей энергии лежит к другому объекту массы.

Электромагнетизм

Электромагнетизм – это взаимодействие частиц с электрическим зарядом. Заряженные частицы в состоянии покоя взаимодействуют посредством электростатических сил, а в движении они взаимодействуют посредством электрических и магнитных сил.

Долгое время электрические и магнитные силы считались разными силами, но окончательно их объединил Джеймс Клерк Максвелл в 1864 году в соответствии с уравнениями Максвелла. В 1940-х годах квантовая электродинамика объединила электромагнетизм с квантовой физикой.

Электромагнетизм, пожалуй, самая распространенная сила в нашем мире, поскольку он может воздействовать на вещи на разумном расстоянии и с изрядной силой.

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие – очень мощная сила, действующая в масштабе атомного ядра.Это вызывает такие явления, как бета-распад. Это было объединено с электромагнетизмом как единое взаимодействие, названное «электрослабым взаимодействием». Слабое взаимодействие опосредуется W-бозоном (существует два типа бозонов W + и W ), а также Z-бозоном.

Сильное взаимодействие

Самая сильная из этих сил – это метко названное сильное взаимодействие, которое, среди прочего, удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) связанными вместе.В атоме гелия, например, он достаточно силен, чтобы связать два протона вместе, даже если их положительные электрические заряды заставляют их отталкивать друг друга.

По сути, сильное взаимодействие позволяет частицам, называемым глюонами, связывать кварки вместе, чтобы в первую очередь создавать нуклоны. Глюоны также могут взаимодействовать с другими глюонами, что дает сильному взаимодействию теоретически бесконечное расстояние, хотя все его основные проявления находятся на субатомном уровне.

Объединение основных сил

Многие физики считают, что все четыре фундаментальные силы на самом деле являются проявлениями единой основной (или объединенной) силы, которую еще предстоит открыть.Подобно тому, как электричество, магнетизм и слабое взаимодействие были объединены в электрослабое взаимодействие, они работают, чтобы объединить все фундаментальные силы.

Современная квантово-механическая интерпретация этих сил состоит в том, что частицы не взаимодействуют напрямую, а скорее проявляют виртуальные частицы, которые опосредуют реальные взаимодействия. Все силы, кроме гравитации, были объединены в эту «Стандартную модель» взаимодействия.

Попытка объединить гравитацию с тремя другими фундаментальными силами называется квантовой гравитацией .Он постулирует существование виртуальной частицы, называемой гравитоном, которая будет посредником в гравитационных взаимодействиях. На сегодняшний день гравитоны не обнаружены, и никакие теории квантовой гравитации не были успешными или общепринятыми.

Основные силы


Свободный нейтрон распадется с испусканием W , который производит электрон и антинейтрино.

Когда нейтрино взаимодействует с нейтроном, W может быть заменен, превращая нейтрон в протон и производя электрон.

Это взаимодействие такое же, как и слева, поскольку W + , идущее справа налево, эквивалентно W , идущему слева направо.

Нейтрон или протон могут взаимодействовать с нейтрино или антинейтрино путем обмена Z 0 .

Одна из четырех фундаментальных сил, слабое взаимодействие включает обмен промежуточными векторными бозонами, W и Z. Поскольку масса этих частиц равна порядка 80 ГэВ принцип неопределенности диктует диапазон примерно 10 -18 метров, что составляет около.1% диаметра протона. Слабое взаимодействие меняет один аромат кварка на другой. Например, при распаде нейтрона, изображенном диаграммой Фейнмана слева вверху, один нижний кварк заменяется верхним кварком, превращая нейтрон в протон.

Примитивные вершины диаграмм Фейнмана для слабого взаимодействия бывают двух типов: заряженные и нейтральные. Для лептонов они имеют вид

Электрон используется в качестве примера на этих диаграммах, но любой лептон может быть заменен на входящей стороне.Сторона выхода (вверху) будет такой же для нейтральной вершины, но определяется зарядом W в заряженной вершине. Помимо сохранения заряда, вершина должна сохранять лептонное число, поэтому процесс с электроном может производить электронное нейтрино, но не мюонное нейтрино.

Нейтральное взаимодействие проще представить, но оно редко наблюдается, поскольку оно конкурирует с гораздо более сильным электромагнитным взаимодействием и маскируется им.

С заряженными вершинами можно постулировать взаимодействие типа μ, υ e -> e, υ μ и нарисовать для него диаграмму Фейнмана.Это взаимодействие вряд ли будет наблюдаться из-за невероятной трудности наблюдения рассеяния нейтрино, но оно предполагает другие взаимодействия, которые могут быть получены путем вращения или скручивания диаграммы.

Изменив приведенную выше диаграмму Фейнмана, можно прийти к взаимодействию, ответственному за распад мюона, поэтому структуры, полученные из примитивных вершин, можно использовать для построения семейства взаимодействий.Преобразование между двумя диаграммами Фейнмана также можно рассматривать как пример перекрестной симметрии.

Заряженные вершины в слабом взаимодействии с кварками принимают вид

Итак, видно, что кварк меняет свой аромат при взаимодействии через W или W + . Как показано на рисунке, это взаимодействие невозможно наблюдать, поскольку оно подразумевает изоляцию ап-кварка. Из-за удержания кварков изолированные кварки не наблюдаются.Но поворот диаграммы Фейнмана дает альтернативное взаимодействие, показанное ниже как для электронных, так и для мюонных продуктов.

Это указывает на механизм слабого взаимодействия для распада пиона, который наблюдается по мюонному пути.

Слабое взаимодействие в электронной форме слева вверху отвечает за распад нейтрона и за бета-распад в целом.

Указатель

Концепции основных сил

Справочный номер
Kaufmann
Ch.29

Griffiths
Ch 2

Почему сила тяжести является самой сильной силой?

Категория: Космос Опубликовано: 22 мая 2013 г.

Гравитация настолько мала, что водородная связь в одной капле воды, которая является одной из самых слабых форм электромагнитного взаимодействия, может пересилить гравитацию всей планеты. Public Domain Image, источник: Кристофер С. Бэрд.

На самом деле гравитация – самая слабая из четырех фундаментальных сил.В порядке от самого сильного к самому слабому, силы следующие: 1) сильное ядерное взаимодействие, 2) электромагнитное взаимодействие, 3) слабое ядерное взаимодействие и 4) гравитация. Если вы возьмете два протона и удержите их очень близко друг к другу, они будут оказывать друг на друга несколько сил. Поскольку у них обоих есть масса, два протона оказывают друг на друга гравитационное притяжение. Поскольку у них обоих есть положительный электрический заряд, они оба оказывают друг на друга электромагнитное отталкивание. Кроме того, они оба обладают внутренним «цветным» зарядом и, таким образом, обладают притяжением за счет сильного ядерного взаимодействия.Поскольку сильное ядерное взаимодействие является самым сильным на коротких расстояниях, оно преобладает над другими силами, и два протона связываются, образуя ядро ​​гелия (обычно нейтрон также необходим для поддержания стабильности ядра гелия). Гравитация настолько мала в атомном масштабе, что ученые обычно могут игнорировать ее, не допуская серьезных ошибок в своих расчетах.

Однако в астрономических масштабах гравитация преобладает над другими силами. Для этого есть две причины: 1) гравитация имеет большой радиус действия и 2) отрицательной массы не существует.Каждая сила исчезает, когда два объекта, испытывающие силу, становятся более разделенными. Скорость отмирания сил различна для каждой силы. Сильные и слабые ядерные взаимодействия имеют очень малую дальность действия, а это означает, что за пределами крошечных ядер атомов эти силы быстро падают до нуля. Крошечный размер ядер атомов является прямым результатом чрезвычайно короткого действия ядерных сил. Две частицы, которые находятся на расстоянии нанометров друг от друга, слишком удалены друг от друга, чтобы оказывать друг на друга заметное ядерное взаимодействие.Если ядерные силы настолько слабы для двух частиц, разделенных на нанометры, должно быть очевидно, что ядерные силы еще более незначительны в астрономических масштабах. Например, Земля и Солнце слишком удалены друг от друга (миллиарды метров), чтобы их ядерные силы могли достичь друг друга. В отличие от ядерных сил, как электромагнитная сила, так и гравитация имеют фактически бесконечный диапазон * и уменьшаются в силе как 1 / r 2 .

Если и электромагнетизм, и гравитация имеют фактически бесконечный диапазон, почему Земля удерживается на орбите вокруг Солнца силой тяжести, а не электромагнитной силой? Причина в том, что отрицательной массы не существует, но есть отрицательный электрический заряд.Если вы поместите один положительный электрический заряд рядом с одним отрицательным электрическим зарядом, а затем измерите их совокупную силу на другом, удаленном заряде, вы обнаружите, что отрицательный заряд имеет тенденцию в некоторой степени нейтрализовать положительный заряд. Такой объект называется электрическим диполем. Электромагнитная сила, вызванная электрическим диполем, затухает как 1 / r 3 , а не 1 / r 2 из-за этого компенсирующего эффекта. Точно так же, если вы возьмете два положительных электрических заряда и два отрицательных заряда и поместите их близко друг к другу, вы получите электрический квадруполь.Электромагнитная сила из-за электрического квадруполя исчезает еще быстрее, как 1 / r 4 , потому что отрицательные заряды так хорошо справляются с нейтрализацией положительных зарядов. По мере того, как вы добавляете все больше и больше положительных зарядов к равному количеству отрицательных зарядов, диапазон электромагнитной силы системы становится все короче и короче. Интересно то, что большинство объектов состоит из атомов, и большинство атомов имеют равное количество положительных и отрицательных электрических зарядов. Следовательно, несмотря на то, что чистая электромагнитная сила одного заряда имеет бесконечный диапазон, эффективный диапазон электромагнитной силы для типичных объектов, таких как звезды и планеты, намного короче.Фактически, нейтральные атомы имеют эффективный электромагнитный диапазон порядка нанометров. В астрономических масштабах остается только сила тяжести. Если бы существовала такая вещь, как отрицательная масса (антивещество имеет положительную массу), и если бы атомы обычно содержали равные части положительной и отрицательной массы, то гравитацию постигла бы та же участь, что и электромагнетизм, и не было бы значительной силы в астрономическом масштабе. К счастью, отрицательной массы нет, и поэтому гравитационная сила нескольких тел, расположенных близко друг к другу, всегда аддитивна.Таким образом, гравитация – самая слабая из сил в целом, но она является доминирующей в астрономических масштабах, потому что у нее самый большой радиус действия и потому что нет отрицательной массы.

* ПРИМЕЧАНИЕ. В приведенном выше описании я использовал старую ньютоновскую формулировку гравитации. Гравитация более точно описывается формулировкой общей теории относительности, которая говорит нам, что гравитация – это не реальная сила, а искажение пространства-времени. В масштабах меньше, чем группы галактик, и вдали от сверхплотных масс, таких как черные дыры, ньютоновская гравитация является отличным приближением к общей теории относительности.Однако, чтобы правильно объяснить все эффекты, вы должны использовать общую теорию относительности. Согласно общей теории относительности и многочисленным экспериментальным измерениям, подтверждающим ее, гравитация не имеет бесконечного диапазона, а уходит в масштабе больше, чем группы галактик. Следовательно, гравитация имеет только поведение 1 / r 2 и “неограниченный” диапазон в масштабе меньшем, чем группы галактик. Вот почему я сказал, что гравитация имеет «эффективно» бесконечный диапазон. В самых больших масштабах наша Вселенная расширяется, а не стягивается гравитационным притяжением.Такое поведение предсказывается общей теорией относительности. В масштабах меньших, чем группы галактик, пространство-время действует преимущественно как притягивающая ньютоновская гравитация, в то время как в более крупных масштабах пространство-время действует как нечто совершенно иное, расширяющееся.

Темы: электромагнетизм, сила, гравитация, ядерная сила, диапазон

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *