Реферат силы в природе и технике

Обновлено: 04.07.2024

Каждый день нам приходится сталкиваться с действиями одних тел на другие. Для понимания процессов, происходящих в окружающем нас мире, физики приложили немало усилий, чтобы понять, что происходит с одним телом при воздействии на него другого. И ученые смогли доказать, что любое движение происходит под действием различных сил.

Что такое сила?

Сила — это воздействие одного тела на другое. Воздействие может быть разным: в результате приложения силы тело способно приводиться в движение, менять скорость или направление движения, останавливаться и т.п. Например, толкая в магазине тележку для продуктов, ты приводишь ее в движение. При этом скорость тележки и направление ее движения меняются в зависимости от той силы, с которой ты действуешь на тележку. А твой папа может толкать такую тележку с гораздо большей скоростью, так как он сильнее тебя.

Под воздействием силы можно не только изменить скорость тела или его форму, но и направление его движения. Например, во время игры в теннис, бадминтон, бильярд при помощи ракетки или кия можно изменить направление движения шара. Шар или мяч может полететь в другом направлении не только после воздействия на него человека (при помощи ракетки, например), но и ударившись о любой предмет во время полета: стенку, забор, штангу и т.д. Приложение силы способно привести к изменению не только скорости, но и размеров или формы тела. Говоря другими словами, в результате приложения силы тело может деформироваться.

Пример: на рисунке ниже видно растяжение (удлинение) пружины после того, как на нее подвесили груз. Причем чем тяжелее груз и, соответственно, большая сила прилагается, тем сильнее растягивается пружина.

Любая сила не может существовать сама по себе. Запомни: если речь идет о приложении силы, то это означает, что на тело действует другое тело. Как только действие сил прекращается, тело переходит в состояние покоя. Как правило, на тело одновременно действует не одна сила, а несколько.

Что такое сила тяжести?

Сила тяжести — это сила, с которой Земля притягивает к себе тело. Эта сила всегда направлена вертикально вниз. Запомни: чем больше масса тела, тем больше сила тяжести, действующая на это тело. Именно поэтому нам трудно поднять или сдвинуть с места очень тяжелые предметы. И чем тяжелее предмет, тем больше сила тяжести и тем сложнее нам преодолеть эту силу. Сила тяжести, действующая на тело, несколько отдаленное от поверхности Земли, зависит от массы тела и расстояния.

Каждый космонавт переживает так называемую космическую болезнь: при отсутствии силы тяготения он привыкает к тому, что все окружающие предметы, да и он сам, летают, а не падают. Поэтому по возвращении на Землю космонавты в течение некоторого времени обращаются с вещами так, как привыкли это делать в космосе: просто отпускают их, при этом совершенно не задумываясь над тем, что они сразу упадут на землю или на пол.

В условиях невесомости в организме космонавта увеличивается объем циркулирующей крови, что, в свою очередь, может привести к повышению давления. Однако сердце космонавта очень интересно приспосабливается к данной ситуации: во избежание дополнительной нагрузки оно уменьшается в объеме и, соответственно, начинает перекачивать меньшее количество крови. Это своеобразная защитная реакция на увеличение объема крови.

Ученые выяснили, что в случае длительного пребывания в невесомости (состояние, при котором вес тела равен нулю) в организме человека происходят некоторые изменения. Например, рост космонавтов увеличивается почти на 5 см за счет расхождения позвоночных дисков. В течение 10 дней после возвращения на Землю рост становится прежним.

Что такое сила всемирного тяготения?

Притяжение существует не только между Землей и всеми телами, находящимися на ней, но и всеми телами между собой. Такое притяжение всех тел в нашей Вселенной называется всемирным тяготением.

Ты когда-нибудь видел, как магнит притягивает к себе различные предметы? Так вот, всемирное тяготение можно сравнить с магнитом: тела притягиваются не только к Земле, но и друг к другу.

На какие тела действует сила всемирного тяготения?

Эта сила действует абсолютно на все тела, которые имеют какой-либо, пусть даже самый незначительный вес. Именно благодаря такому притяжению мы не улетаем в открытый космос вместе с другими окружающими нас предметами, а остаемся на Земле.

Если бы сила притяжения отсутствовала, то любое подброшенное тело никогда бы не вернулось на Землю.

Согласно легенде, английский ученый Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения после того, как на его глазах с дерева оторвалось яблоко и упало на землю. Ньютон задумался над тем, почему оно упало вертикально вниз, перпендикулярно земле, а не в сторону. Позже гениальный ученый сумел доказать, что все тела притягиваются друг к другу.

Ускорение и сила всемирного тяготения

Ускорение — это изменение скорости в течение единицы времени. Представь, что с большой высоты на Землю падает какое-либо тело. Пока расстояние до Земли очень большое, ее сила притяжения не так велика. Но по мере приближения тела к поверхности Земли сила притяжения Земли возрастает, и ускорение движения тела становится равным 9,8 м/с 2 . Например, если ты бросишь яблоко с большой высоты, скажем, с пятого этажа, оно будет лететь со скоростью 9,8 м/с спустя 1 секунду падения и уже 19,6 м/с после второй секунды. То есть с каждой секундой падения его скорость будет увеличиваться почти на 10 м/с!

Ускорение и масса тела

Ускорение не зависит от массы падающего тела. Например, два тела, падающие с одинаковой высоты, достигнут земли одновременно, при этом не важно, что падает — яблоко или машина. Конечно, если ты бросишь листик бумаги и камешек, то камешек окажется на земле раньше, но только лишь потому, что листику мешает падать сопротивление воздуха. Но если предположить, что листик бумаги и камешек будут падать вниз внутри высокого стеклянного цилиндра, из которого откачан воздух, то оба предмета достигнут дна одновременно.

Вес тела

Да, не удивляйся, вес тела — это тоже сила, с которой тело давит на опору или какой-либо подвес (если тело висит).

Ты уже знаешь, что все тела притягиваются к Земле, и эта сила называется силой тяжести. Посмотри внимательно на картинку. В данном случае лавочка не позволяет мальчику и коту упасть, и именно лавочка испытывает действие силы, возникающей из-за притяжения Земли.

Какие есть сходства и различия между весом тела и силой тяжести?

Обе силы — и вес тела, и сила тяжести — возникают благодаря притяжению Земли.

Разница между весом тела и силой тяжести заключается в том, что вес действует на опору, которая находится под телом, а сила тяжести — на само тело.

Каким бы странным это ни показалось, но вес тела может быть равен нулю! Один из случаев, когда вес тела равен 0, — состояние невесомости. Например, в космическом корабле ни космонавт, ни тела, находящиеся на борту корабля, не оказывают никакого действия на опору. Они просто летают в пространстве.

Сила упругости

Сила упругости — это сила, которая возникает в теле в результате его деформации и стремится вернуть тело в исходное положение.

Скорее всего, ты не задумывался над тем, где и в каких предметах проявляется сила упругости. На самом деле таких вещей довольно много. Это и самые простые пружинные весы (безмен), используемые для взвешивания продуктов, и резиночки для волос, различные эластичные резинки и пояса, специальные ленты для фитнеса и многое другое

Самый простой и доступный пример проявления силы упругости — это деформация обычной пружины!

Возьми пружину, сожми ее, а затем убери пальцы. После того как ты отпустил ее, пружина стремится принять первоначальную форму. Так при деформации пружины возникла сила упругости, и ты можешь наблюдать ее проявление.

Давай рассмотрим интересный пример проявления силы упругости во время прыжка на тарзанке.

Какая сила растягивает канат во время прыжка?

Как только человек совершает прыжок, он начинает падать под действием силы тяжести. Под весом прыгуна канат растягивается, а затем стремится возвратиться в свое первоначальное положение, т.е. прыгун двигается вверх и вниз.

Сила трения

Тебе приходилось видеть, как кто-то нечаянно соскользнул со стула и упал на пол? Ты рассмеялся? А вот представь, что мы постоянно падаем со стульев и кроватей, а предметы не могут удержаться на месте и выскальзывают из рук. На самом деле не так и смешно, правда?

К счастью, благодаря силе трения этого не происходит. Если бы трение отсутствовало, то все предметы не могли бы держаться на поверхностях, а постоянно скатывались вниз, на землю.

Трение — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого.

На льду трение между подошвой обуви и льдом очень мало, поэтому мы не можем ходить по льду так, как ходим по земле: наши ноги скользят. Для того чтобы улучшить сцепление обуви с поверхностью, лед посыпают песком

Одной из причин, вызывающих трение, является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Причем чем больше шероховатостей и неровностей, тем больше сила трения.

Различают несколько видов трения, из них основные: трение скольжения, качения и покоя.

Трение скольжения

В данном случае одно тело скользит по поверхности другого. Например: катание с горы на санках или лыжах, катание на коньках по льду.

Сила трения направлена в сторону, противоположную направлению движения. Более того, она направлена вдоль соприкасающихся поверхностей

Трение качения

Этот вид трения возникает, когда одно тело катится по поверхности другого. Это может быть любое колесо или тело в форме шара.

Трение покоя

В состоянии трения покоя тело может сдвинуться с места, но ему что-то мешает, и мешает ему именно сила трения. Например, в комнате стоит диван, и сдвинуть его с места можно только в случае приложения другой силы, которая будет больше силы трения покоя.

К чему приводит уменьшение силы трения?

Снижением силы трения и плохим контактом шин с асфальтом объясняется повышение количества аварий на мокрой дороге.

На мокром полу мы можем легко упасть.

Это происходит потому, что жидкость создает барьер между полом и подошвой обуви, при котором сцепление подошвы с полом значительно уменьшается, и, соответственно, уменьшается сила трения.

Современные достижения физики высоких энергий все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют составных частей.

Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов - это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы, также обладают внутренней структурой и, следовательно, не являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим примером элементарной частицы является квант света - фотон.

Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.

Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами.

При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.

В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Сила тяжести

Силой тяжести называют равнодействующую двух сил - силы ньютоновского притяжения всей массой Земли и центробежной силы, возникающей вследствие суточного вращения Земли. Отнесенные к единице массы, эти силы характеризуются ускорениями силы тяжести g=F/m, ньютоновского притяжения f=Fн/m и центробежным P=P/m. Ускорение силы тяжести равно геометрической сумме ускорения притяжения и центробежного ускорения. Обычно в гравиметрии, когда говорят "сила тяжести", подразумевают именно ускорение силы тяжести.

Гравитационное взаимодействие

Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.

Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных полях.

Если пренебречь всеми релятивистскими эффектами и ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m1 и m2 дается соотношением

где r - расстояние между частицами, G - ньютоновская гравитационная постоянная, играющая роль константы гравитационного взаимодействия. Данное соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) отлична от нуля при любом конечном r и спадает к нулю очень медленно. По этой причине говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим.

Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными.

Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.

Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса

где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии черных дыр во Вселенной.

В рамках общей теории относительности впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет. Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории гравитации и квантовой механики.

Слабое взаимодействие

Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.

Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: a-,b и g-радиоактивных распадов. При этом a-распад обусловлен сильным взаимодействием, g-распад - электромагнитным. Оставшийся b-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом b-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.

С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?

Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.

Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль.

Везде, где это было возможно, мы старались проследить тенденцию объединения, отметить общие черты фундаментальных взаимодействий, привести данные о характерных масштабах явлений. Конечно, излагаемый здесь материал не претендует на полноту рассмотрения и не содержит многих важных деталей, необходимых для систематического изложения. Подробное описание затронутых нами вопросов требует использования всего арсенала методов современной теоретической физики высоких энергий и выходит за рамки данной статьи, научно-популярной литературы. Нашей целью было изложение общей картины достижений современной теоретической физики высоких энергий, тенденции ее развития. Мы стремились вызвать интерес читателя к самостоятельному, более подробному изучению материала. Конечно, при таком подходе неизбежны определенные огрубления.

Предлагаемый список литературы позволяет более подготовленному читателю углубить свое представление о вопросах, рассмотренных в статье.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Силы в природе и технике

Работу выполнила ученица средней школы № 22 г. Оленегорска Смирнова Ирина.

Что надо знать о силе

Примеры сил в природе и технике

Что надо знать о силе

Сила -векторная величина. Необходимо знать точку приложения и направление каждой силы. Важно уметь определить какие именно силы действуют на тело и в каком направлении. Сила обозначается как , измеряется в Ньютонах.

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

Все силы в природе основаны на четырех типах фундаментальных взаимодействий:

электромагнитные силы, действующие между электрически заряженными телами,

гравитационные силы, действующие между массивными объектами,

сильное ядерное взаимодействие, действующее в масштабах порядка размера атомного ядра и меньше (отвечает за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами в ядрах).

слабое ядерное взаимодействие, проявляющееся на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра.

Силы можно разделить на:

реактивные силы − реакции связи. Если движение тела в пространстве ограничивается другими тела (связями, опорами), силы, с которыми эти тела действуют на данное тело, называют реакциями связи (опоры).

активные силы – силы, характеризующие действие других тел на данное и изменяющее его кинематическое состояние. Активны силы, в зависимости от вида контакта, подразделяются на

объемные – силы, действующие на каждую частицу тела, например, вес тела;

поверхностные – силы, действующие на участок тела и характеризующие непосредственный контакт тел. Поверхностные силы бывают:

сосредоточенными – действующими на площадках, которые малы по сравнению с телом, например, давление колеса на дорогу;

распределенными – действующими на площадках, которые не малы по сравнению с телом, например, давление гусеницы трактора на дорогу.

Наиболее известны следующие силы:

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

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

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

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

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

Сила упругости направлена противоположно деформации.

Примеры сил в природе и технике

Движение литосферных плит вызывает силу трения

Без силы трения человек не сможет ходить, а автомобили ездить.

Спелое яблоко срывается и падает на землю потому что на него действует сила тяжести.

В детском пистолете стреляющим липучками при зарядке пистолета самой липучкой натягивается пружинка возникает деформация а вместе с ней и сила упругости.

сила трения резины автомобильного колеса об асфальт

колеса поезда о металл рельса,

сила трения пенькового каната о металл при швартовке судна

сила сцепления ниток друг с другом и тканью при пришивании пуговиц

трение подошвы ботика о землю при ходьбе

сила трения покоя, благодаря которой книги, ручки и пр. могут лежать на наклонной поверхности.

Силой называется количественная мера воздействия одного тела на дру-
гое, в результате которого тело изменяет состояние своего движения или де-
формируется (или имеет место и то и другое одновременно).
Однако спор вокруг определения силы не закончен до сих пор. Это обусловлено трудностью объединения в одном определении сил, различных по своей природе и характеру проявления.

Содержание работы

Файлы: 1 файл

КСЕ реф.3вар.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кафедра прикладной и теоретической физики

Группа ФБЭ-03; 3-вариант

Преподаватель: Спутай С. В.

2.3. Электромагнитное взаимодействие………………………………………… .7

Силой называется количественная мера воздействия одного тела на дру-

гое, в результате которого тело изменяет состояние своего движения или де-

формируется (или имеет место и то и другое одновременно).

Однако спор вокруг определения силы не закончен до сих пор. Это обусловлено трудностью объединения в одном определении сил, различных по своей природе и характеру проявления.

Силы могут проявляться динамически и статически.

Статически силы проявляются в деформации тел.

Измерение сил основано на сравнении результатов их действия. Поскольку силы проявляются динамически и статически, возможны два способа их измерения.

Силы можно измерять путем сравнения ускорений, приобретаемых неко

торым телом, принятым за эталонное. Следует отметить, что динамический

способ неудобен, поскольку требует измерения ускорений, а для этого необ-

ходимо знать закон движения. Кроме того, он предусматривает знание зави-

симости между силой и ускорением.

Современному естествознанию природа, во всей своей беспредельности и многообразии форм и проявлений, представляется в виде лишь четырех фундаментальных взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия отличаются друг от друга расстоянием, на котором они проявляются, отношением сил, энергиями, приходящимися на частицу, интенсивностью, характерным временем протекания процессов, происходящих в мире элементарных частиц.

В порядке возрастания интенсивности эти взаимодействия располагаются следующим образом: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное (или ядерное). С проявлением всех этих типов взаимодействий мы встречаемся при изучении различных физических процессов, происходящих во Вселенной (от механического движения,

как простейшей формы движения материи, до сложнейших процессов существования жизни на Земле, взаимного превращения элементарных частиц и т.д.)

Отличительной особенностью фундаментальных взаимодействий являет-

ся то, что их нельзя свести к другим, более простым взаимодействиям.

Любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой , прямо пропорциональной произведению масс ( и ) и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

Здесь − гравитационная постоянная, значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш. Используя данный закон, можно получить формулы для расчета силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел.

Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством гравитационного поля. Гравитационные силы незначительны, если рассматривать взаимодействие элементарных частиц. Принимая во внимание современное состояние теории элементарных частиц, эти силы при таком рассмотрении не учитываются. В то же время они являются основными силами, управляющими движением и эволюцией небесных тел, массы которых велики.

всех сил природы, поскольку все, что имеет массу, должно испытывать гравитационные воздействия. Не существует такой формы материи, которой не была бы присуща масса. Гравитационное взаимодействие свободно передается через любые тела, ему невозможно поставить преграду.

Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвертого из фундаментальных взаимодействий, гравитационног о. Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, меньших размера атомного ядра.

Слабое взаимодействие значительно слабее сильного (ядерного) и элек-тромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. Так, ядерное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 10 14 раз – слабое. Гравитационное же взаимодействие двух электронов меньше кулоновского более чем в 10 40 раз.

Слабые взаимодействия определяют процессы, протекающие между эле-

ментарными частицами, из которых состоит вещество. Так, если бы перестали существовать слабые взаимодействия, то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения элементарных частиц, который является основным источником энергии Солнца и большинства звезд.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля, квантами которого являются фотоны. Это взаимодействие не универсальное, оно существует только между заряженными телами.

Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Сильное взаимодействие является самым интенсивным. Оно отвечает за

процессы, которые происходят внутри атомных ядер, и за процессы взаимодействия элементарных частиц (кроме процессов, которые подчиняются слабым взаимодействиям). Квантами сильного взаимодействия являются π- мезоны.

Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Силой тяжести называют равнодействующую двух сил - силы ньютоновского притяжения всей массой Земли и центробежной силы, возникающей вследствие суточного вращения Земли. Отнесенные к единице массы, эти силы характеризуются ускорениями силы тяжести ( g=F/m), ньютоновского притяжения (f=Fн/m) и центробежным (P=P/m). Ускорение силы тяжести равно геометрической сумме ускорения притяжения и центробежного ускорения. Обычно в гравиметрии, когда говорят "сила тяжести", подразумевают именно ускорение силы тяжести.

Читайте также: