Сили у природі. Гравітаційні сили - Гіпермаркет знань

Незважаючи на різноманітність сил, є всього чотири типи взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка.

Гравітаційні силипомітно проявляються у космічних масштабах. Одним із проявів гравітаційних сил є вільне падіння тіл. Земля повідомляє всім тілам те саме прискорення, яке називають прискоренням вільного падіння g. Воно трохи змінюється залежно від географічної широти. На широті Москви він дорівнює 9,8 м/с 2 .

Електромагнітні сили діють між частинками, які мають електричні заряди. Сильні та слабкі взаємодії проявляються всередині атомних ядер та в ядерних перетвореннях.

Гравітаційна взаємодія існує між усіма тілами, які мають маси. Закон всесвітнього тяжіння, Відкритий Ньютоном, говорить:

Сила взаємного тяжіння двох тіл, які можуть бути прийнятими за матеріальні точки, прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними:

Коефіцієнт пропорційності уназивають гравітаційною постійною. Вона дорівнює 6,67 10 -11 Н м2/кг2.

Якщо тіло діє лише гравітаційна сила із боку Землі, вона дорівнює mg. Це сила тяжкості G (без урахування обертання Землі). Сила тяжіння діє на всі тіла, що знаходяться на Землі, незалежно від їхнього руху.

Під час руху тіла з прискоренням вільного падіння (або навіть з меншим прискоренням, спрямованим донизу) спостерігається явище повної чи часткової невагомості.

Повна невагомість – відсутність тиску на підставку чи на підвіс. Вага - сила тиску тіла на горизонтальну опору або сила розтягування нитки з боку підвішеного до неї тіла, що виникає у зв'язку з гравітаційним тяжінням даного тіла до Землі.

Сили тяжіння між тілами не знищені, тоді як вага тіла може зникнути. Так, у супутнику, який рухається з першою космічною швидкістюнавколо Землі, вага відсутня так само, як у ліфті, що падає з прискоренням g.

Прикладом електромагнітних сил є сили тертя та пружності. Розрізняють сили тертя ковзання та сили тертя кочення. Сила тертя ковзання набагато більша за силу тертя кочення.

Сила тертя залежить у певному інтервалі від докладеної сили, яка прагне зрушити одне тіло щодо іншого. Прикладаючи різну за величиною силу, побачимо, що невеликі сили що неспроможні зрушити тіло. У цьому виникає компенсуюча сила тертя спокою.

>>Фізика: Сили у природі. Гравітаційні сили

З'ясуємо спочатку, чи багато видів сил існує у природі.
На перший погляд здається, що ми взялися за непосильне і нерозв'язне завдання: тіл на Землі і поза нею безліч. Вони взаємодіють по-різному. Приміром, камінь падає Землю; електровоз тягне поїзд; нога футболіста вдаряє по м'ячу; потерта об хутро ебонітова паличка притягує легкі папірці, магніт притягує залізну тирсу; провідник зі струмом повертає стрілку компаса; взаємодіють Місяць і Земля, а разом вони взаємодіють із Сонцем; взаємодіють зірки та зіркові системи тощо. буд. Подібним прикладам немає кінця. Схоже, що в природі існує безліч взаємодій (сил)? Виявляється, ні!
Чотири типи сил.У безмежних просторах Всесвіту, на нашій планеті, в будь-якій речовині, в живих організмах, в атомах, в атомних ядрах і у світі елементарних частинок ми зустрічаємося з проявом лише чотирьох типів сил: гравітаційних, електромагнітних, сильних (ядерних) і слабких.
Гравітаційні сили, або сили всесвітнього тяжіння, діють між усіма тілами – всі тіла притягуються одне до одного. Але це тяжіння істотно зазвичай лише тоді, коли хоча б одне з тіл, що взаємодіють, так само велике, як Земля або Місяць. Інакше ці сили такі малі, що їх можна знехтувати.
Електромагнітні силидіють між частинками, які мають електричні заряди. Сфера їхньої дії особливо велика і різноманітна. В атомах, молекулах, твердих, рідких та газоподібних тілах, живих організмах саме електромагнітні сили є головними. Велика їх роль атомах.
Область дії ядерних силдуже обмежена. Вони помітні лише всередині атомних ядер (тобто на відстанях близько 10 -13 см). Вже на відстанях між частинками близько 10 -11 см (в тисячу разів менших розмірів атома - 10 -8 см) вони не виявляються зовсім.
Слабкі взаємодіївиявляються ще менших відстанях, порядку 10 -15 див. Вони викликають взаємні перетворення елементарних частинок, визначають радіоактивний розпад ядер, реакції термоядерного синтезу.
Ядерні сили - найпотужніші у природі. Якщо інтенсивність ядерних сил прийняти за одиницю, то інтенсивність електромагнітних сил становитиме 10 -2 , гравітаційних - 10 -40 слабких взаємодій - 10 -16 .
Сильні (ядерні) і слабкі взаємодії виявляються таких малих відстанях, коли закони механіки Ньютона, і з ними разом і поняття механічної сили втрачають сенс.
У механіці ми розглядатимемо лише гравітаційні та електромагнітні взаємодії.
Сили у механіці.У механіці зазвичай мають справу з трьома видами сил – силами тяжіння, силами пружності та силами тертя.
Сили пружності та тертя мають електромагнітну природу. Ми не пояснюватимемо тут походження цих сил, за допомогою дослідів можна буде з'ясувати умови, за яких виникають ці сили, і висловити їх кількісно.
У природі існують чотири типи взаємодії. У механіці вивчаються гравітаційні сили та два різновиди електромагнітних сил - сили пружності та сили тертя.

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотський, Фізика 10 клас

Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні уроки календарний планна рік методичні рекомендаціїпрограми обговорення Інтегровані уроки

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,

| З'ясуємо, чи багато видів сил існує у природі.

На перший погляд здається, що ми взялися за непосильне і нерозв'язне завдання: тіл на Землі і поза нею безліч. Вони взаємодіють по-різному. Приміром, камінь падає Землю; електровоз тягне поїзд; нога футболіста вдаряє по м'ячу; потерта хутро ебонітова паличка притягує легкі папірці (рис. 3.1, а); магніт притягує залізну тирсу (рис. 3.1, б)", провідник зі струмом повертає стрілку компаса (рис. 3.1, в); взаємодіють Місяць і Земля, а разом вони взаємодіють із Сонцем; взаємодіють зірки та зіркові системи і т. д. Схоже, що в природі існує безліч взаємодій (сил)!Виявляється, ні!
Чотири типи сил
У безмежних просторах Всесвіту, на нашій планеті, в будь-якій речовині, в живих організмах, в атомах, в атомних ядрах і світі елементарних частинок ми зустрічаємося з проявом лише чотирьох типів сил: гравітаційних, електромагнітних, сильних (ядерних) і слабких.
Гравітаційні сили, чи сили всесвітнього тяжіння, діють між усіма тілами – всі тіла притягуються одне до одного. Але це тяжіння суттєво лише тоді, коли хоча б одне з тіл, що взаємодіють, так само велике, як Земля або Місяць. Інакше ці сили такі малі, що їх можна знехтувати.
Електромагнітні сили діють між частинками, які мають електричні заряди. Сфера їхньої дії особливо велика і різноманітна. В атомах, молекулах, твердих, рідких та газоподібних тілах, живих організмах саме електромагнітні сили є головними. Велика їх роль атомних ядрах.
Область дії ядерних сил дуже обмежена. Вони позначаються помітним чином лише всередині атомних ядер (тобто на відстанях близько 10-12 см). Вже на відстанях між частинками порядку Ю-11 см (в тисячу разів менших розмірів атома – 10-8 см) вони не виявляються зовсім.
Слабкі взаємодії виявляються ще менших відстанях. Вони викликають перетворення елементарних частинок друг на друга.
Ядерні сили найпотужніші у природі. Якщо інтенсивність ядерних сил прийняти за одиницю, інтенсивність електромагнітних сил становитиме 10~2, гравітаційних - 10 40, слабких взаємодій -10~16.
Треба сказати, що лише гравітаційні та електромагнітні взаємодії можна як сили у сенсі механіки Ньютона. Сильні (ядерні) та слабкі взаємодії проявляються на таких малих відстанях, коли закони механіки Ньютона, а з ними разом і поняття механічної сили втрачають сенс. Якщо й у випадках використовують термін «сила», лише як синонім слова «взаємодія».
Сили у механіці
У механіці зазвичай мають справу з силами тяжіння, силами пружності та силами тертя.
Ми не будемо тут розглядати електромагнітну природу сили пружності та сили тертя. За допомогою дослідів можна з'ясувати умови, за яких виникають ці сили, та висловити їх кількісно.
У природі існують чотири типи сил. У механіці вивчаються гравітаційні сили та два різновиди електромагнітних сил - сили пружності та сили тертя.

Ще на тему § 3.1. СИЛИ У ПРИРОДІ:

Наука та техніка дозволяють використовувати багатства та сили природи на користь людини.
§3.12. ДЕФОРМАЦІЯ ТІЛ ПІД ДІЄЮ СИЛИ ТЯЖКОСТІ І СИЛИ ПРУЖНОСТІ
Вирішення протиріччя: купівля та продаж робочої сили. Ринок робочої сили
ПРОТИ «ДРУГОГО РОЗДУМУ» Про природу людського розуму і про те, ніби цю природу нам легше пізнати, ніж природу тіла.
Дві сили є-дві фатальні сили, Все життя своє у них ми під рукою, Від колискових днів і до могили, - Одна є Смерть, інша - Суд людський. Ф.І.Тютчев

Всі відомі взаємодії і відповідно сили в природі зводяться до чотирьох типів: гравітаційне, електромагнітне, сильне, слабке.

Гравітаційна взаємодіявластиве всім тілам у Всесвіті, проявляється у вигляді взаємного тяжіння всіх тіл у природі, незалежно від середовища в якому вони знаходяться, у мікросвіті елементарних частинок при звичайних енергіях ролі не грає. Яскравим прикладомє тяжіння Землею. Ця взаємодія підкоряється закону всесвітнього тяжіння : сила взаємодії між двома матеріальними точками масами m 1 і m 2 прямо пропорційна добутку цих мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Математично цей закон має вигляд:

де G= 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 - постійна гравітаційна, яка визначає силу тяжіння між двома однаковими тілами з масами m 1 = m 2 = 1 кг з відривом r= 1 м.

Електромагнітна взаємодія – взаємодія між нерухомими та рухомими електричними зарядами. Цією взаємодією зокрема зумовлені сили міжмолекулярної та міжатомної взаємодії.

Взаємодія між двома точковими нерухомими зарядами q 1 і q 2 підпорядковується закону Кулона:

де k= 9109 Н м 2 /Кл 2 - коефіцієнт пропорційності.

Якщо заряд рухається в магнітному полі, то на нього діє сила Лоренца:

v- Швидкість заряду, В - вектор магнітної індукції.

Cільневзаємодіязабезпечує зв'язок нуклонів у ядрі атома. Слабке відповідає за більшість розпадів елементарних частинок, а також за взаємодії нейтрино з речовиною.

У класичній механіці ми маємо справу з гравітаційними та електромагнітними силами, які призводять до появи сил тяжіння, сил пружності, сил тертя та інших.

Сила тяжінняхарактеризує взаємодію тіла із Землею.

Поблизу землі всі тіла падають приблизно з однаковим прискоренням g 9,8 м/с 2 яке називається прискоренням вільного падіння. Звідси випливає, що поблизу Землі на кожне тіло діє сила тяжіння, яка спрямована до центру Землі та дорівнює добутку маси тіла на прискорення вільного падіння.

поблизу поверхні Землі поле однорідне ( g= const). Порівнюючи
з
, отримаємо, що
.

Сила реакції опори –сила , з якою опора діє тіло. Вона прикладена до тіла та перпендикулярна поверхні дотику. Якщо тіло лежить на горизонтальній поверхні, то сила реакції опори чисельно дорівнює силі тяжкості. Розглянемо 2 випадки.

1. Розглянемо рис.

Нехай тіло спочиває, тоді на нього діє дві сили. Відповідно до 2 закону Ньютона

Знайдемо проекції цих сил на вісь і отримаємо, що

2. Нехай тепер тіло знаходиться на похилій площині, що становить кут з обрієм (див. рис.).

Розглянемо випадок, коли тіло буде спочивати, тоді на тіло діятимуть дві сили, рівняння руху виглядає аналогічно першому випадку. Записавши 2 закон Ньютона в проекції на вісь, отримаємо, що сила реакції опори чисельно дорівнює проекції сили тяжіння на перпендикуляр до цієї поверхні

Вага тіла -сила, з якою діє тіло на опору чи підвіс. Вага тіла дорівнює модулю силі реакції опори і спрямований протилежно

Часто плутають силу тяжкості та вагу. Це зумовлено тим, що у разі нерухомої опори ці сили збігаються за величиною і за напрямом. Однак треба пам'ятати, що ці сили прикладені до різних тіл: сила тяжіння прикладена до самого тіла, вага прикладена до підвісу або опори. Крім того, сила тяжіння завжди дорівнює mg, незалежно від того, що спочиває тіло або рухається, сила ваги залежить від прискорення, з яким рухаються опора і тіло, причому вона може бути як більше, так і менше mg, зокрема, в стані невагомості вона звертається на нуль.

Сила пружності. Під впливом зовнішніх сил може бути зміна форми тіла – деформація. Якщо після припинення дії сили форма тіла відновлюється, деформація називається пружною. Для пружної деформації справедливий закон Гука:

x- подовження тіла вздовж осі х, k- Коефіцієнт пропорційності, який називають коефіцієнтом пружності.

При безпосередньому зіткненні тіл, крім сил пружності, можуть виникати сили й іншого типу, так звані сили тертя.

Сили тертя.

Сили тертя бувають двох видів:

Сила тертя спокою.

Сила тертя, зумовлена рухом тел.

Сила тертя спокою– сила, з якою діє поверхня на тіло, що лежить на ній, у напрямку, протилежному докладеній до тіла силі (див. рис) і рівна їй за модулем

Сили тертя 2 типу з'являються при переміщенні тіл, що стикаються, або частин один щодо одного. Тертя, що виникає при відносному переміщенні двох дотичних тіл, називають зовнішнім. Тертя між частинами одного і того ж суцільного тіла (рідина або газ), носить назву внутрішнього.

Сила тертя ковзаннядіє на тіло в процесі його переміщення по поверхні іншого тіла і дорівнює добутку коефіцієнта тертя між цими тілами на силу реакції опори N і спрямована в бік, протилежний відносної швидкості руху цього тіла

F = N

Сили тертя відіграють дуже велику роль у природі. У нашому повсякденному житті тертя нерідко виявляється корисним. Наприклад, труднощі, які відчувають пішоходи та транспорт під час ожеледиці, коли тертя між покриттям дороги та підошвами пішоходів чи колесами транспорту значно зменшується. Якби не було сил тертя, меблі довелося б прикріплювати до підлоги, як на судні під час качки, бо вони при найменшій негоризонтальності підлоги сповзли б у напрямку похилості.

Закон збереження імпульсу

Замкнутою (ізольованою) системою тіл називають таку систему, тіла якої не взаємодіють із зовнішніми тілами або якщо рівнодіє зовнішніх сил дорівнює нулю.

Якщо систему матеріальних точок не діють зовнішні сили, тобто система ізольована ( замкнута ), з (3.12) випливає, що

(3.13)

Ми отримали фундаментальний закон класичної фізики. закон збереження імпульсу:у ізольованій (замкнутій) системі сумарний імпульс залишається величиною постійної. Для того, щоб виконувався закон збереження імпульсу, достатньо, щоб система була замкнута.

Закон збереження імпульсу є фундаментальним законом природи не знає винятків.

У нерелятивістському випадку можна запровадити поняття центру мас (центру інерції) системи матеріальних точок, під яким розуміють уявну точку, радіус-вектор якої , виражається через радіуси вектори матеріальних точок за формулою:

(3.14)

Знайдемо швидкість центру мас у цій системі відліку, взявши похідну за часом від співвідношення (3.14)

. (3.14)

Імпульс системи дорівнює добутку маси системи швидкість її центру інерції.

. (3.15)

Поняття центру мас дозволяє надати рівнянню
іншу форму, яка часто виявляється зручнішою. І тому досить врахувати, що маса системи є величина стала. Тоді

(3.16)

де - Сума всіх зовнішніх сил, які діють на систему. Рівняння (3.16) – рівняння руху центру інерції системи. Теорема про рух центру маскаже: центр мас рухається як матеріальна точка, маса якої дорівнює сумарній масі всієї системи, а сила, що діє, – геометричній сумі всіх зовнішніх сил, що діють на систему.

Якщо система замкнута, то
. У цьому випадку рівняння (3.16) перетворюється на
, З якого випливає V = const. Центр мас замкнутої системи рухається прямолінійно та рівномірно.

Причиною зміни руху: прискорення у тіл є сила. Сили виникають при взаємодії тіл один з одним. Але які існують види взаємодій та чи багато їх?

На перший погляд може здатися, що різних видіввпливів тіл один на одного, а отже, і різних видів сил існує дуже багато. Прискорення можна повідомити тілу, штовхнувши чи потягнувши його рукою; із прискоренням пливе корабель, коли дме попутний вітер; із прискоренням рухається будь-яке тіло, що падає на Землю; натягнувши і відпустивши тятиву цибулі, ми повідомляємо прискорення стріли. У всіх розглянутих випадках діють сили, і всі вони здаються абсолютно різними. А можна назвати ще й інші сили. Всі знають про існування електричних і магнітних сил, про силу припливу та відливу, про силу землетрусів та ураганів.

Але чи справді у природі існує так багато різних сил?

Якщо ми говоримо про механічний рух тіл, то ми зустрічаємося тільки з трьома видами сил: сила тяжіння, сила пружності та сила тертя. До них зводяться всі розглянуті вище сили. Сили пружності, тяжіння та тертя є проявом сил всесвітнього тяжіння та електромагнітних сил природи. Виходить, що у природі із зазначених існує лише дві сили.

Електромагнітні сили. Між наелектризованими тілами діє особлива сила, яка називається електричною силою, яка може бути як силою тяжіння, так і силою відштовхування. У природі існують заряди двох видів: позитивні та негативні. Два тіла з різними зарядами притягуються, а тіла з однойменними зарядами відштовхуються.

Електричні заряди мають одну особливу властивість: коли заряди рухаються, між ними, крім електричної сили, виникає й інша – магнітна сила.

Магнітна та електрична сили тісно пов'язані одна з одною і діють одночасно. А оскільки найчастіше доводиться мати справу з зарядами, що рухаються, то діючі між ними сили не можна розмежувати. І ці сили називають електромагнітними силами.

Які ж виникає «електричний заряд», який може бути в тіла, а може й не бути?

Усі тіла складаються з молекул та атомів. Атоми складаються ще з дрібніших частинок - атомного ядра та електронів. Вони, ядра та електрони, мають певні електричні заряди. Ядро має позитивний заряд, а електрони негативний.

У нормальних умовахатом немає заряду – він нейтральний, оскільки сумарний негативний заряд електронів дорівнює позитивному заряду ядра. І тіла, які складаються з таких нейтральних атомів, електрично нейтральні. Між такими тілами практично немає електричних сил взаємодії.

Але в тому самому рідкому (або твердому) тілі сусідні атоми настільки близько розташовані один до одного, що сили взаємодії між зарядами, з яких вони складаються, дуже значні.

Сили взаємодії атомів залежить від відстаней з-поміж них. Сили взаємодії між атомами здатні змінювати свій напрямок при зміні відстані між ними. Якщо відстань між атомами дуже мала, всі вони відштовхуються друг від друга. Але якщо відстань між ними збільшити, атоми починають притягуватися. При певній відстані між атомами сили їхньої взаємодії стають рівними нулі. Природно, що у таких відстанях атоми й розташовуються друг щодо друга. Відзначимо, що ці відстані дуже малі, і приблизно рівні розмірам самих атомів.

blog.сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.