Katso myös "Fyysinen portaali"

Voima vektorisuureena on karakterisoitu moduuli , suunta ja sovelluksen "kohta". vahvuus. Viimeisellä parametrilla voiman käsite vektorina fysiikassa eroaa vektorin käsitteestä vektorialgebrassa, jossa absoluuttisen arvon ja suunnan suhteen samansuuruisia vektoreita, riippumatta niiden soveltamispisteestä, pidetään samana vektorina. Fysiikassa näitä vektoreita kutsutaan vapaiksi vektoreiksi.Mekaniikassa on äärimmäisen yleinen käsite sidotut vektorit, joiden alku on kiinteästi tiettyyn pisteeseen avaruudessa tai voi olla viivalla, joka jatkaa vektorin suuntaa (liukuvat vektorit). ). .

Myös käsitettä käytetään voimalinja, joka tarkoittaa suoraa viivaa, joka kulkee voiman kohdistamispisteen kautta, jota pitkin voima on suunnattu.

Voiman mitta on LMT −2, kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) mittayksikkö on newton (N, N), CGS-järjestelmässä - dyne.

Käsitteen historia

Antiikin tutkijat käyttivät voiman käsitettä staattista ja liikettä koskevissa teoksissaan. Hän osallistui voimien tutkimukseen yksinkertaisten mekanismien suunnittelussa III vuosisadalla. eKr e. Archimedes. Aristoteleen ajatukset vallasta, jotka liittyivät perustavanlaatuisiin epäjohdonmukaisuuksiin, kestivät useita vuosisatoja. Nämä epäjohdonmukaisuudet poistettiin 1600-luvulla. Isaac Newton käyttää matemaattisia menetelmiä voiman kuvaamiseen. Newtonin mekaniikka pysyi yleisesti hyväksyttynä lähes kolmesataa vuotta. XX vuosisadan alkuun mennessä. Albert Einstein osoitti suhteellisuusteoriassa, että newtonilainen mekaniikka on oikea vain suhteellisen pienillä järjestelmän kappaleiden nopeuksilla ja massoilla, mikä selventää kinematiikan ja dynamiikan perussäännöksiä ja kuvasi joitain uusia aika-avaruuden ominaisuuksia.

Newtonin mekaniikka

Isaac Newton päätti kuvata esineiden liikettä hitauden ja voiman käsitteillä. Tehtyään tämän hän totesi matkan varrella, että kaikki mekaaniset liikkeet ovat yleisten säilymislakien alaisia. Vuonna Mr. Newton julkaisi kuuluisan teoksensa "", jossa hän hahmotteli klassisen mekaniikan kolme peruslakia (kuuluisat Newtonin lait).

Newtonin ensimmäinen laki

Esimerkiksi mekaniikan lait ovat täsmälleen samat kuorma-auton takana, kun se ajaa suoraa tieosuutta tasaisella nopeudella ja seisoo paikallaan. Ihminen voi heittää palloa pystysuunnassa ylöspäin ja ottaa sen kiinni jonkin ajan kuluttua samasta paikasta riippumatta siitä, liikkuuko trukki tasaisesti ja suoraviivaisesti vai levossa. Hänelle pallo lentää suoraan. Maan ulkopuoliselle tarkkailijalle pallon liikerata näyttää kuitenkin paraabelilta. Tämä johtuu siitä, että pallo liikkuu suhteessa maahan lennon aikana paitsi pystysuunnassa, myös vaakasuunnassa inertian vaikutuksesta kuorma-auton suuntaan. Kuorma-auton perässä istuvalle henkilölle ei ole väliä, liikkuuko rekka tietä pitkin vai liikkuuko ympärillä oleva maailma tasaisella nopeudella vastakkaiseen suuntaan, ja kuorma-auto seisoo paikallaan. Siten lepotila ja tasainen suoraviivainen liike ovat fyysisesti erottamattomia toisistaan.

Newtonin toinen laki

Vauhdin määritelmän mukaan:

missä on massa, on nopeus.

Jos materiaalipisteen massa pysyy muuttumattomana, niin massan aikaderivaata on nolla ja yhtälöstä tulee:

Newtonin kolmas laki

Jokaiselle kahdelle kappaleelle (kutsutaanko niitä kappaleiksi 1 ja kappaleiksi 2) Newtonin kolmas laki sanoo, että kappaleen 1 vaikutuksen voimaan kappaleeseen 2 liittyy voima, joka on yhtä suuri absoluuttisesti, mutta vastakkainen, joka vaikuttaa. rungossa 1 kappaleesta 2. Matemaattisesti laki on kirjoitettu näin:

Tämä laki tarkoittaa, että voimat syntyvät aina toiminta-reaktio-pareina. Jos kappale 1 ja kappale 2 ovat samassa järjestelmässä, niin näiden kappaleiden vuorovaikutuksesta johtuva kokonaisvoima järjestelmässä on nolla:

Tämä tarkoittaa, että suljetussa järjestelmässä ei ole epätasapainoisia sisäisiä voimia. Tämä johtaa siihen, että suljetun järjestelmän (eli sellaisen, johon ulkoiset voimat eivät vaikuta) massakeskus ei voi liikkua kiihtyvällä vauhdilla. Järjestelmän erilliset osat voivat kiihtyä, mutta vain siten, että järjestelmä kokonaisuutena pysyy lepotilassa tai tasaisessa suoraviivaisessa liikkeessä. Kuitenkin, jos ulkoiset voimat vaikuttavat järjestelmään, sen massakeskipiste alkaa liikkua kiihtyvyydellä, joka on verrannollinen tuloksena olevaan ulkoiseen voimaan ja kääntäen verrannollinen järjestelmän massaan.

Perusvuorovaikutukset

Kaikki luonnonvoimat perustuvat neljään perusvuorovaikutukseen. Kaikentyyppisten vuorovaikutusten suurin etenemisnopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus tyhjiössä. Sähkömagneettiset voimat vaikuttavat sähköisesti varautuneiden kappaleiden välillä, gravitaatiovoimat massiivisten kappaleiden välillä. Vahvat ja heikot esiintyvät vain hyvin pienillä etäisyyksillä ja ovat vastuussa subatomisten hiukkasten, mukaan lukien atomiytimiä muodostavien nukleonien, välisestä vuorovaikutuksesta.

Vahvan ja heikon vuorovaikutuksen intensiteetti mitataan energian yksikköä(elektronivoltit), ei voimayksiköitä, ja siksi termin "voima" käyttö heihin selittyy antiikista peräisin olevalla perinteellä selittää mitä tahansa ympäröivän maailman ilmiöitä kullekin ilmiölle ominaisten "voimien" vaikutuksilla.

Voiman käsitettä ei voida soveltaa subatomisen maailman ilmiöihin. Tämä on käsite klassisen fysiikan arsenaalista, joka liittyy (vaikka vain alitajuisesti) newtonilaisiin ideoihin etäältä vaikuttavista voimista. Subatomisessa fysiikassa tällaisia ​​voimia ei enää ole: ne korvataan kenttien kautta tapahtuvilla hiukkasten välisillä vuorovaikutuksilla eli joidenkin muiden hiukkasten välillä. Siksi korkean energian fyysikot välttävät sanan käyttöä vahvuus, korvaa sen sanalla vuorovaikutusta.

Jokainen vuorovaikutustyyppi johtuu vastaavien vuorovaikutuksen kantajien vaihdosta: gravitaatio - gravitonien vaihto (olemassaoloa ei ole kokeellisesti vahvistettu), sähkömagneettinen - virtuaaliset fotonit, heikot - vektoribosonit, vahvat - gluonit (ja suurilla etäisyyksillä - mesonit). Tällä hetkellä sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus on yhdistetty perustavanlaatuisempaan sähköheikkoon vuorovaikutukseen. Kaikki neljä perusvuorovaikutusta yritetään yhdistää yhdeksi (ns. grand unified teoria).

Kaikki luonnossa ilmentyvät voimat voidaan periaatteessa pelkistää näihin neljään perusvuorovaikutukseen. Esimerkiksi kitka on ilmentymä kahden kosketuksissa olevan pinnan atomien välillä vaikuttavista sähkömagneettisista voimista ja Paulin poissulkemisperiaatteesta, joka estää atomien tunkeutumisen toistensa alueelle. Hooken lain kuvaama jousen deformoituessa esiintyvä voima on myös seurausta hiukkasten välisistä sähkömagneettisista voimista ja Paulin poissulkemisperiaatteesta, joka pakottaa aineen kidehilan atomit pysymään lähellä tasapainoasemaa. .

Käytännössä ei kuitenkaan osoittautunut vain epätarkoituksenmukaiseksi, vaan myös yksinkertaisesti mahdottomaksi ongelman olosuhteiden mukaan, niin yksityiskohtainen tarkastelu voimien toiminnasta.

painovoima

Painovoima ( painovoima) - universaali vuorovaikutus minkä tahansa aineen välillä. Klassisen mekaniikan puitteissa sitä kuvataan yleismaailmallisen gravitaatiolain avulla, jonka Isaac Newton muotoili teoksessaan "The Mathematical Principles of Natural Philosophy". Newton sai kiihtyvyyden suuruuden, jolla Kuu liikkuu Maan ympäri, olettaen laskennassa, että gravitaatiovoima pienenee käänteisesti gravitaatiokappaleen etäisyyden neliön kanssa. Lisäksi hän havaitsi myös, että kiihtyvyys, joka johtuu yhden kappaleen vetovoimasta toisella, on verrannollinen näiden kappaleiden massojen tuloon. Näiden kahden johtopäätöksen perusteella muotoiltiin painovoimalaki: kaikki materiaalihiukkaset vetäytyvät toisiaan kohti voimalla, joka on suoraan verrannollinen massojen tuloon ( ja ) ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön:

Tässä on gravitaatiovakio, jonka arvon sai ensimmäisenä kokeissaan Henry Cavendish. Tämän lain avulla voidaan saada kaavat mielivaltaisen muotoisten kappaleiden painovoiman laskemiseksi. Newtonin gravitaatioteoria kuvaa hyvin aurinkokunnan planeettojen ja monien muiden taivaankappaleiden liikettä. Se perustuu kuitenkin pitkän kantaman toiminnan käsitteeseen, joka on ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa. Siksi klassinen painovoimateoria ei sovellu kuvaamaan lähellä valonnopeutta liikkuvien kappaleiden liikettä, äärimmäisen massiivisten esineiden (esimerkiksi mustien aukkojen) gravitaatiokenttiä sekä muuttuvia gravitaatiokenttiä, jotka liikkuvat ruumiit suurilla etäisyyksillä niistä.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus

Sähköstaattinen kenttä (kiinteiden varausten kenttä)

Fysiikan kehitys Newtonin jälkeen lisäsi kolmeen pääsuureen (pituus, massa, aika) sähkövarauksen, jonka mitat olivat C. Mittausmukavuuteen perustuvan käytännön vaatimusten perusteella mitattiin kuitenkin sähkövirtaa, jonka mitat olivat I. käytetään usein latauksen sijasta, ja minä = CT − 1 . Varauksen yksikkö on kuloni ja virran yksikkö on ampeeri.

Koska varaus sellaisenaan ei ole olemassa sitä kantavasta kappaleesta riippumatta, ilmenee kappaleiden sähköinen vuorovaikutus saman mekaniikassa tarkastellun voiman muodossa, joka aiheuttaa kiihtyvyyttä. Sovellettaessa kahden "pistevarauksen" sähköstaattista vuorovaikutusta tyhjiössä käytetään Coulombin lakia:

missä on varausten välinen etäisyys, ja ε 0 ≈ 8,854187817 10 −12 F/m. Tämän systeemin homogeenisessa (isotrooppisessa) aineessa vuorovaikutusvoima pienenee kertoimella ε, missä ε on väliaineen dielektrisyysvakio.

Voiman suunta osuu yhteen pistevaraukset yhdistävän linjan kanssa. Graafisesti sähköstaattinen kenttä on yleensä kuvattu kuvana voimalinjoista, jotka ovat kuvitteellisia lentoratoja, joita pitkin varautunut hiukkanen, jolla ei ole massaa, liikkuisi. Nämä rivit alkavat yhdestä ja päättyvät toiseen maksuun.

Sähkömagneettinen kenttä (DC-kenttä)

Magneettikentän olemassaolon tunnistivat jo keskiajalla kiinalaiset, jotka käyttivät "rakastavaa kiveä" - magneettia - magneettisen kompassin prototyyppinä. Graafisesti magneettikenttä on yleensä kuvattu suljettuina voimalinjoina, joiden tiheys (kuten sähköstaattisen kentän tapauksessa) määrää sen voimakkuuden. Historiallisesti visuaalinen tapa visualisoida magneettikenttä olivat rautaviilat, jotka kaadettiin esimerkiksi magneetin päälle asetetulle paperille.

Johdetut voimatyypit

Elastinen voima- voima, joka syntyy rungon muodonmuutoksesta ja vastustaa tätä muodonmuutosta. Elastisten muodonmuutosten tapauksessa se on potentiaalinen. Kimmovoimalla on sähkömagneettinen luonne, joka on molekyylien välisen vuorovaikutuksen makroskooppinen ilmentymä. Elastinen voima on suunnattu siirtymää vastapäätä, kohtisuoraan pintaan nähden. Voimavektori on päinvastainen molekyylien siirtymissuuntaan nähden.

Kitkavoima- voima, joka syntyy kiinteiden kappaleiden suhteellisesta liikkeestä ja vastustaa tätä liikettä. Viittaa dissipatiivisiin voimiin. Kitkavoimalla on sähkömagneettinen luonne ja se on molekyylien välisen vuorovaikutuksen makroskooppinen ilmentymä. Kitkavoimavektori on suunnattu vastapäätä nopeusvektoria.

Keskimääräinen vastusvoima- voima, joka syntyy kiinteän kappaleen liikkeestä nestemäisessä tai kaasumaisessa väliaineessa. Viittaa dissipatiivisiin voimiin. Vastusvoimalla on sähkömagneettinen luonne ja se on molekyylien välisen vuorovaikutuksen makroskooppinen ilmentymä. Vastusvoimavektori on suunnattu vastapäätä nopeusvektoria.

Normaalin tukireaktion voima- tuen sivulta kehoon vaikuttava kimmovoima. Suunnattu kohtisuoraan tuen pintaan nähden.

Pintajännitysvoimat- vaiheosan pinnalle syntyvät voimat. Sillä on sähkömagneettinen luonne ja se on molekyylien välisen vuorovaikutuksen makroskooppinen ilmentymä. Jännitysvoima suunnataan tangentiaalisesti rajapintaan; johtuu faasirajalla sijaitsevien molekyylien kompensoimattomasta vetovoimasta sellaisten molekyylien toimesta, jotka eivät sijaitse faasirajalla.

Osmoottinen paine

Van der Waalsin joukot- molekyylien polarisaatiosta ja dipolien muodostumisesta aiheutuvat sähkömagneettiset molekyylien väliset voimat. Van der Waalsin voimat pienenevät nopeasti etäisyyden kasvaessa.

hitausvoima on fiktiivinen voima, joka tuodaan ei-inertiaalisiin viitekehyksiin Newtonin toisen lain toteuttamiseksi niissä. Erityisesti tasaisesti kiihtyvään kappaleeseen liittyvässä vertailukehyksessä hitausvoima on suunnattu vastakkain kiihtyvyyteen nähden. Koko inertiavoimasta voidaan erottaa keskipakovoima ja Coriolis-voima mukavuuden vuoksi.

Tuloksena

Kun lasketaan kappaleen kiihtyvyyttä, kaikki siihen vaikuttavat voimat korvataan yhdellä voimalla, jota kutsutaan resultantiksi. Tämä on kaikkien kehoon vaikuttavien voimien geometrinen summa. Lisäksi kunkin voiman vaikutus ei ole riippuvainen muiden toiminnasta, toisin sanoen jokainen voima antaa keholle sellaisen kiihtyvyyden, jonka se antaisi ilman muiden voimien toimintaa. Tätä väitettä kutsutaan voimien toiminnan riippumattomuuden periaatteeksi (superposition periaate).

Katso myös

Lähteet

• Grigoriev V. I., Myakishev G. Ya. - "Luonnon voimat"
• Landau, L.D., Lifshitz, E.M. Mekaniikka - 5. painos, stereotyyppinen. - M .: Fizmatlit, 2004. - 224 s. - ("Teoreettinen fysiikka", osa I). - .

Huomautuksia

1. Sanasto. Maan observatorio. NASA. - "Voima - mikä tahansa ulkoinen tekijä, joka aiheuttaa muutoksen vapaan kappaleen liikkeessä tai sisäisten jännitysten esiintymisen kiinteässä kappaleessa."(Englanti)
2. Bronstein I. N. Semendyaev K. A. Matematiikan käsikirja. M .: Kustantaja "Nauka" Fysikaalisen ja matemaattisen kirjallisuuden viitepainos. 1964.
3. Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, M. Lectures on Physics, Vol 1 - Addison-Wesley, 1963.(Englanti)

> Voimaa

Kuvaus voimat fysiikassa: termi ja määritelmä, voiman lait, yksiköiden mittaus Newtoneissa, Newtonin toinen laki ja kaava, kaavio kohteen voiman vaikutuksesta.

Vahvuus- mikä tahansa toiminta, joka johtaa kohteen liikkeen, suunnan tai geometrisen rakenteen muutokseen.

Oppimistehtävä

• Luo suhde massan ja kiihtyvyyden välille.

Avainkohdat

• Voima on vektorikäsite, jolla on suuruus ja suunta. Tämä koskee myös massaa ja kiihtyvyyttä.
• Yksinkertaisesti sanottuna voima toimii työntönä tai vetona, joka voidaan määritellä useilla standardeilla.
• Dynamiikka on tutkimus voimasta, joka saa esineet tai järjestelmät liikkumaan ja muotoutumaan.
• Ulkoiset voimat ovat mitä tahansa ulkoisia vaikutuksia, jotka vaikuttavat kehoon, kun taas sisäiset voimat vaikuttavat sisältä.

Ehdot

• Vektorinopeus on sijainnin muutosnopeus ajassa ja suunnassa.
• Voimalla tarkoitetaan mitä tahansa toimintaa, joka saa kohteen liikkeen, suunnan tai geometrisen rakenteen muutoksen.
• Vektori on suunnattu suure, jolle on ominaista suuruus ja suunta (kahden pisteen välillä).

Esimerkki

Voit tutkia fysiikan voimastandardeja, syitä ja tuloksia käyttämällä kahta kuminauhaa. Ripusta yksi koukkuun pystyasentoon. Etsi pieni esine ja kiinnitä se ripustuspäähän. Mittaa tuloksena oleva venytys erilaisilla esineillä. Mikä on riippuvien esineiden määrän ja venytyksen pituuden välinen suhde? Mitä tapahtuu liimatulle painolle, jos liikutat teippiä lyijykynällä?

Pakota tarkistus

Fysiikassa voima on mikä tahansa ilmiö, joka saa kohteen käymään läpi muutoksia liikkeessä, suunnassa tai geometrisessa suunnittelussa. Newtoneissa mitattuna. Voima on jotain, joka saa kappaleen, jolla on massa, muuttamaan nopeuttaan tai muuttamaan muotoaan. Voimaa kuvataan myös intuitiivisilla termeillä, kuten "push" tai "push". Siinä on suuruus ja suunta (vektori).

Ominaisuudet

Newtonin toinen laki sanoo, että esineeseen vaikuttava nettovoima on yhtä suuri kuin nopeus, jolla sen liikemäärä muuttuu. Myös esineen kiihtyvyys on suoraan verrannollinen siihen vaikuttavaan voimaan ja on nettovoiman suunnassa ja kääntäen verrannollinen massaan.

Muista, että voima on vektorisuure. Vektori on yksiulotteinen taulukko, jolla on suuruus ja suunta. Siinä on massa ja kiihtyvyys:

Voimaan liittyvät myös työntövoima (lisää kohteen nopeutta), hidastus (vähentää nopeutta) ja vääntömomentti (muuttaa nopeutta). Voimat, jotka eivät kohdistu tasaisesti kaikkiin esineen osiin, johtavat myös mekaaniseen rasitukseen (deform-aine). Jos kiinteässä esineessä se vähitellen muotoilee sitä, nesteessä se muuttaa painetta ja tilavuutta.

Dynamiikka

Se tutkii voimia, jotka saavat esineet ja järjestelmät liikkeelle. Ymmärrämme voiman selvänä työntönä tai vetona. Niillä on suuruus ja suunta. Kuvassa on useita esimerkkejä voimankäytöstä. Vasen yläkulma - rullajärjestelmä. Kaapeliin kohdistettavan voiman on oltava yhtä suuri ja suurempi kuin massan, esineiden tai painovoiman aiheuttama voima. Oikea yläkulma osoittaa, että mikä tahansa pinnalle asetettu esine vaikuttaa siihen. Alla on magneettien vetovoima.

1. Newtonin dynamiikan lait

liikkeen lait tai aksioomit (Newtonin itsensä muotoilussa kirjasta "Mathematical Principles of Natural Philosophy" vuonna 1687): "I. Jokainen ruumis pysyy levossa eli tasaisessa ja suoraviivaisessa liikkeessä, kunnes ja sikäli kuin se pakotetaan kohdistettujen voimien avulla muuttamaan tätä tilaa. II. Liikemäärän muutos on verrannollinen käytettyyn käyttövoimaan ja tapahtuu sen suoran suunnassa, jota pitkin tämä voima vaikuttaa. III. Toiminnalla on aina yhtäläinen ja vastakkainen reaktio, muuten kahden kappaleen vuorovaikutus toisiaan vastaan ​​on yhtäläinen ja suunnattu vastakkaisiin suuntiin.

2. Mitä vahvuus on?

Voimalle on ominaista suuruus ja suunta. Voima luonnehtii muiden kappaleiden toimintaa tiettyyn kehoon. Kehoon vaikuttavan voiman tulos ei riipu ainoastaan ​​sen suuruudesta ja suunnasta, vaan myös voiman kohdistamispisteestä. Resultantti on yksi voima, jonka tulos on sama kuin kaikkien todellisten voimien toiminnan tulos. Jos voimat ovat samansuuntaisia, resultantti on yhtä suuri kuin niiden summa ja suunnattu samaan suuntaan. Jos voimat suunnataan vastakkaisiin suuntiin, niin resultantti on yhtä suuri kuin niiden ero ja suunnataan suurempaa voimaa kohti.

Painovoima ja kehon paino

Painovoima on voima, jolla kappale vetää puoleensa Maata yleisen painovoiman vaikutuksesta. Kaikki universumin kappaleet vetoavat toisiinsa, ja mitä suurempi niiden massa ja mitä lähempänä ne sijaitsevat, sitä voimakkaampi vetovoima on.

Painovoiman laskemiseksi kehon massa tulee kertoa kertoimella, joka on merkitty kirjaimella g, joka on noin 9,8 N / kg. Siten painovoima lasketaan kaavalla

Rungon paino on voima, jolla keho painaa tukea tai venyttää jousitusta Maahan vetovoiman vuoksi. Jos keholla ei ole tukea eikä jousitusta, niin keholla ei myöskään ole painoa - se on painottomuuden tilassa.

Elastinen voima

Elastinen voima on voima, joka esiintyy kehon sisällä muodonmuutoksen seurauksena ja estää muodon muutoksen. Riippuen siitä, kuinka rungon muoto muuttuu, erotetaan useita muodonmuutostyyppejä, erityisesti jännitys ja puristus, taivutus, leikkaus ja leikkaus, vääntö.

Mitä enemmän kehon muotoa muutetaan, sitä suurempi on siihen muodostuva elastinen voima.

Dynamometri - voimanmittauslaite: mitattua voimaa verrataan dynamometrin jousessa esiintyvään kimmovoimaan.

Kitkavoima

Staattinen kitkavoima on voima, joka estää kehon liikkumisen.

Syy kitkan esiintymiseen on se, että kaikissa pinnoissa on epäsäännöllisyyksiä, jotka tarttuvat toisiinsa. Jos pinnat on kiillotettu, kitka aiheutuu molekyylien vuorovaikutusvoimista. Kun kappale liikkuu vaakasuoralla pinnalla, kitkavoima kohdistuu liikettä vastaan ​​ja on suoraan verrannollinen painovoimaan:

Liukukitkavoima on vastusvoima, kun yksi kappale liukuu toisen pinnan yli. Vierintäkitkavoima on vetovoima, kun yksi kappale vierii toisen pinnan yli; se on paljon pienempi kuin liukukitkavoima.

Jos kitka on hyödyllinen, sitä lisätään; jos haitallista - vähennä.

3. SÄILYTTÄMISLAIT

SÄILYTTÄMISLAIT, fysikaalisia lakeja, joiden mukaan jokin suljetun järjestelmän ominaisuus pysyy muuttumattomana järjestelmän muutoksissa. Tärkeimmät ovat aineen ja energian säilymisen lakeja. Aineen säilymislaki sanoo, että ainetta ei luoda eikä tuhota; kemiallisten muutosten aikana kokonaismassa pysyy muuttumattomana. Myös järjestelmän energian kokonaismäärä pysyy ennallaan; energia muuttuu vain muodosta toiseen. Molemmat lait ovat vain suunnilleen totta. Massa ja energia voidaan muuntaa toisikseen yhtälön mukaisesti E = ts 2. Vain massan kokonaismäärä ja sen ekvivalenttienergia säilyvät ennallaan. Toinen säilymislaki koskee sähkövarausta: sitä ei voi luoda eikä myöskään tuhota. Ydinprosesseihin sovellettaessa säilymislaki ilmaistaan ​​siinä, että vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten kokonaisvarauksen, spinin ja muiden KVANTTILUKUJEN tulee pysyä samana vuorovaikutuksesta syntyville hiukkasille. Vahvissa vuorovaikutuksissa kaikki kvanttiluvut säilyvät. Heikoilla vuorovaikutuksilla rikotaan joitain tämän lain vaatimuksia, erityisesti PARITEETIN osalta.

Energian säilymisen laki voidaan selittää esimerkillä 1 kg:n pallon putoamisesta 100 m:n korkeudelta. Pallon alkukokonaisenergia on sen potentiaalienergia. Kun se putoaa, potentiaalienergia vähitellen pienenee ja liike-energia kasvaa, mutta energian kokonaismäärä pysyy ennallaan, joten energiaa säilyy. A - kineettinen energia kasvaa nollasta maksimiin B - potentiaalinen energia laskee maksimista nollaan; C - kokonaisenergian määrä, joka on yhtä suuri kuin kineettisen ja potentin summa Aineen säilymislaki sanoo, että kemiallisten reaktioiden aikana ainetta ei synny eikä se katoa. Tämä ilmiö voidaan osoittaa käyttämällä klassista koetta, jossa lasipurkin alla palava kynttilä (A) punnitaan. Kokeen lopussa kannen ja sen sisällön paino pysyy samana kuin alussa, vaikka pääosin hiilestä ja vedystä koostuva kynttilä "kadosi", koska haihtuvat reaktiotuotteet (vesi ja hiilidioksidi) vapautettu siitä. Vasta sen jälkeen, kun tiedemiehet tunnustivat aineen säilymisen periaatteen 1700-luvun lopulla, kvantitatiivinen lähestymistapa kemiaan tuli mahdolliseksi.

mekaaninen työ tapahtuu, kun kappale liikkuu siihen kohdistuvan voiman vaikutuksesta.

Mekaaninen työ on suoraan verrannollinen kuljetettuun matkaan ja verrannollinen voimaan:

Tehoa

Tekniikan työn nopeudelle on ominaista tehoa.

Teho on yhtä suuri kuin työn suhde aikaan, jonka aikana se tehtiin:

Energiaa on fyysinen määrä, joka osoittaa kuinka paljon työtä keho voi tehdä. Energiaa mitataan joulea.

Kun työ on tehty, mitataan kappaleiden energia. Tehty työ vastaa energian muutosta.

Mahdollinen energia määräytyy vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden tai saman kehon osien keskinäisen sijainnin perusteella.

E p \u003d F h \u003d gmh.

Missä g \u003d 9,8 N / kg, m - ruumiinpaino (kg), h - pituus (m).

Kineettinen energia omistaa kehon liikkeensä seurauksena. Mitä suurempi kehon massa ja nopeus on, sitä suurempi on sen liike-energia.

5. pyörivän liikkeen dynamiikan perussääntö

Voiman hetki

1. Voiman momentti pyörimisakselin ympäri, (1.1) jossa on voiman projektio tasolle, joka on kohtisuorassa pyörimisakselia vastaan, on voiman käsi (lyhin etäisyys pyörimisakselista linjaan voiman toiminnasta).

2. Voiman momentti suhteessa kiinteään pisteeseen O (origo). (1.2) Se määräytyy pisteestä O voiman kohdistamispisteeseen vedetyn sädevektorin vektoritulolla tällä voimalla; on pseudovektori, sen suunta on sama kuin oikeanpuoleisen translaatioliikkeen suunta ruuvi sen pyörimisen aikana otk ("kierteen sääntö"). Voiman momentin moduuli, (1.3) missä on vektorien välinen kulma ja voiman olake, voiman vaikutuslinjan ja voiman kohdistamispisteen välinen lyhin etäisyys.

kulmamomentti

1. Akselin ympäri pyörivän kappaleen kulmamomentti , (1.4) missä on kappaleen hitausmomentti, on kulmanopeus. Kappalejärjestelmän kulmaliikemäärä on järjestelmän kaikkien kappaleiden liikemäärän vektorisumma: . (1.5)

2. Aineellisen pisteen kulmaliikemäärä, jonka liikemäärä suhteessa kiinteään pisteeseen O (origo). (1.6) Se määräytyy pisteestä O materiaalipisteeseen vedetyn sädevektorin vektoritulolla ja liikemäärävektorilla; on pseudovektori, jonka suunta on sama kuin oikean ruuvin translaatioliikkeen suunta. sen rotation otk ("kierteen sääntö"). Kulmamomenttivektorin moduuli, (1.7)

Hitausmomentti pyörimisakselin suhteen

1. Materiaalin pisteen hitausmomentti , (1.8) jossa on pisteen massa, on sen etäisyys pyörimisakselista.

2. Diskreetin jäykän kappaleen hitausmomentti , (1.9) missä on jäykän kappaleen massaelementti; on tämän elementin etäisyys pyörimisakselista; on kappaleen elementtien lukumäärä.

3. Hitausmomentti jatkuvassa massan jakautumisessa (kiinteä kiinteä kappale). (1.10) Jos runko on homogeeninen, ts. sen tiheys on sama koko tilavuudessa, silloin käytetään lauseketta (1.11), jossa ja on kappaleen tilavuus.

1. Vahvuus-vektori fyysinen määrä, joka on tiettyyn kohdistuvan vaikutuksen voimakkuuden mitta kehon muut elimet ja kentät. Kiinnitetty massiiviseen kehon voima on syy sen muutokseen nopeus tai esiintyminen siinä muodonmuutoksia ja jännityksiä.

Voima vektorisuureena on karakterisoitu moduuli, suunta ja sovelluksen "kohta". vahvuus. Viimeisellä parametrilla voiman käsite vektorina fysiikassa eroaa vektorin käsitteestä vektorialgebrassa, jossa absoluuttisen arvon ja suunnan suhteen samansuuruisia vektoreita, riippumatta niiden soveltamispisteestä, pidetään samana vektorina. Fysiikassa näitä vektoreita kutsutaan vapaiksi vektoreiksi. Mekaniikassa on äärimmäisen yleinen käsite kytketyistä vektoreista, joiden alku on kiinteästi tiettyyn pisteeseen avaruudessa tai voi olla viivalla, joka jatkaa vektorin suuntaa (liukuvektorit).

Myös käsitettä käytetään voimalinja, joka tarkoittaa suoraa viivaa, joka kulkee voiman kohdistamispisteen kautta, jota pitkin voima on suunnattu.

Newtonin toinen laki sanoo, että inertiavertailujärjestelmissä materiaalipisteen suunnan kiihtyvyys osuu yhteen kaikkien kehoon kohdistuvien voimien resultantin kanssa ja on absoluuttisena arvona suoraan verrannollinen voimamoduuliin ja kääntäen verrannollinen materiaalin massaan. kohta. Tai vastaavasti materiaalipisteen liikemäärän muutosnopeus on yhtä suuri kuin käytetty voima.

Kun voima kohdistetaan rajallisten mittojen kappaleeseen, siinä syntyy mekaanisia jännityksiä, joihin liittyy muodonmuutoksia.

Alkuainehiukkasfysiikan standardimallin näkökulmasta perustavanlaatuiset vuorovaikutukset (gravitaatio, heikko, sähkömagneettinen, vahva) toteutetaan ns. mittabosonien vaihdon kautta. Korkean energian fysiikan kokeita 70-80-luvuilla. 20. vuosisata vahvisti oletuksen, että heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus ovat ilmentymiä perustavanlaatuisemmasta sähköheikosta vuorovaikutuksesta.

Voiman mitta on LMT −2, kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) mittayksikkö on newton (N, N), CGS-järjestelmässä se on dyne.

2. Newtonin ensimmäinen laki.

Newtonin ensimmäinen laki sanoo, että on olemassa vertailukehyksiä, joissa kappaleet säilyttävät lepotilan tai tasaisen suoraviivaisen liikkeen ilman muita kappaleita niihin kohdistuvia toimia tai näiden vaikutusten vastavuoroista kompensointia. Tällaisia ​​vertailukehyksiä kutsutaan inertiaaleiksi. Newton ehdotti, että jokaisella massiivisella esineellä on tietty määrä inertiaa, mikä luonnehtii tämän kohteen liikkeen "luonnollista tilaa". Tämä ajatus kiistää Aristoteleen näkemyksen, joka piti lepoa esineen "luonnollisena tilana". Newtonin ensimmäinen laki on ristiriidassa aristotelilaisen fysiikan kanssa, jonka yksi säännöksistä on väite, että kappale voi liikkua vakionopeudella vain voiman vaikutuksesta. Se tosiasia, että Newtonin mekaniikassa inertiaalisissa viitekehyksessä lepoa ei voi fyysisesti erottaa tasaisesta suoraviivaisesta liikkeestä, on Galileon suhteellisuusperiaatteen perustelu. Kaikkien kappaleiden joukossa on pohjimmiltaan mahdotonta määrittää, mikä niistä on "liikkeessä" ja mikä "levossa". Liikkeestä voidaan puhua vain suhteessa mihin tahansa viitekehykseen. Mekaniikan lait ovat samat kaikissa inertiaalisissa viitekehyksessä, toisin sanoen ne ovat kaikki mekaanisesti vastaavia. Jälkimmäinen on seurausta niin kutsutuista Galilean muunnoksista.

3. Newtonin toinen laki.

Newtonin toinen laki nykyaikaisessa muotoilussaan kuulostaa tältä: inertiaalisessa vertailukehyksessä materiaalin pisteen liikemäärän muutosnopeus on yhtä suuri kuin kaikkien tähän pisteeseen vaikuttavien voimien vektorisumma.

missä on aineellisen pisteen liikemäärä, on aineelliseen pisteeseen vaikuttava kokonaisvoima. Newtonin toinen laki sanoo, että epätasapainoisten voimien toiminta johtaa aineellisen pisteen liikemäärän muutokseen.

Vauhdin määritelmän mukaan:

missä on massa, on nopeus.

Klassisessa mekaniikassa liikkeen nopeuksilla, jotka ovat paljon valon nopeutta pienemmät, materiaalipisteen massaa pidetään muuttumattomana, mikä mahdollistaa sen poistamisen eromerkistä seuraavissa olosuhteissa:

Kun otetaan huomioon pisteen kiihtyvyyden määritelmä, Newtonin toinen laki saa muodon:

Sen sanotaan olevan "fysiikan toiseksi tunnetuin kaava", vaikka Newton itse ei koskaan nimenomaisesti kirjoittanut toista lakiaan tässä muodossa. Ensimmäistä kertaa tällainen lain muoto löytyy K. Maclaurinin ja L. Eulerin teoksista.

Koska missä tahansa inertiaalisessa vertailukehyksessä kappaleen kiihtyvyys on sama eikä muutu kehyksestä toiseen siirryttäessä, niin voima on myös muuttumaton tällaisen siirtymän suhteen.

Kaikissa luonnonilmiöissä vahvuus alkuperästä riippumatta, näkyy vain mekaanisessa mielessä, eli syynä kehon tasaisen ja suoraviivaisen liikkeen rikkomiseen inertiakoordinaatistossa. Päinvastainen väite, toisin sanoen sellaisen liikkeen tosiasian toteaminen, ei osoita kehoon vaikuttavien voimien puuttumista, vaan vain sitä, että näiden voimien toimet ovat keskenään tasapainossa. Muuten: niiden vektorin summa on vektori, jonka moduuli on nolla. Tämä on perusta voiman suuruuden mittaamiselle, kun sitä kompensoidaan voimalla, jonka suuruus tunnetaan.

Newtonin toisen lain avulla voit mitata voiman suuruuden. Esimerkiksi planeetan massan ja sen keskikiihtyvyyden tunteminen kiertoradalla liikkuessamme antaa meille mahdollisuuden laskea tälle planeetalle Auringosta vaikuttavan vetovoiman suuruuden.

4. Newtonin kolmas laki.

Jokaiselle kahdelle kappaleelle (kutsutaanko niitä kappaleiksi 1 ja kappaleiksi 2) Newtonin kolmas laki sanoo, että kappaleen 1 vaikutuksen voimaan kappaleeseen 2 liittyy voima, joka on yhtä suuri absoluuttisesti, mutta vastakkainen, joka vaikuttaa. rungossa 1 kappaleesta 2. Matemaattisesti laki on kirjoitettu Joten:

Tämä laki tarkoittaa, että voimat syntyvät aina toiminta-reaktio-pareina. Jos kappale 1 ja kappale 2 ovat samassa järjestelmässä, niin näiden kappaleiden vuorovaikutuksesta johtuva kokonaisvoima järjestelmässä on nolla:

Tämä tarkoittaa, että suljetussa järjestelmässä ei ole epätasapainoisia sisäisiä voimia. Tämä johtaa siihen, että suljetun järjestelmän (eli sellaisen, johon ulkoiset voimat eivät vaikuta) massakeskus ei voi liikkua kiihtyvällä vauhdilla. Järjestelmän erilliset osat voivat kiihtyä, mutta vain siten, että järjestelmä kokonaisuutena pysyy lepotilassa tai tasaisessa suoraviivaisessa liikkeessä. Kuitenkin, jos ulkoiset voimat vaikuttavat järjestelmään, sen massakeskipiste alkaa liikkua kiihtyvyydellä, joka on verrannollinen tuloksena olevaan ulkoiseen voimaan ja kääntäen verrannollinen järjestelmän massaan.

5. Painovoima.

Painovoima ( painovoima) on universaali vuorovaikutus minkä tahansa aineen välillä. Klassisen mekaniikan puitteissa sitä kuvataan yleismaailmallisen gravitaatiolain avulla, jonka Isaac Newton muotoili teoksessaan "The Mathematical Principles of Natural Philosophy". Newton sai kiihtyvyyden suuruuden, jolla Kuu liikkuu Maan ympäri, olettaen laskennassa, että gravitaatiovoima pienenee käänteisesti gravitaatiokappaleen etäisyyden neliön kanssa. Lisäksi hän havaitsi myös, että kiihtyvyys, joka johtuu yhden kappaleen vetovoimasta toisella, on verrannollinen näiden kappaleiden massojen tuloon. Näiden kahden johtopäätöksen perusteella muotoiltiin painovoimalaki: kaikki materiaalihiukkaset vetäytyvät toisiaan kohti voimalla, joka on suoraan verrannollinen massojen tuloon ( ja ) ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön:

Tässä on gravitaatiovakio, jonka arvon sai ensimmäisenä kokeissaan Henry Cavendish. Tämän lain avulla voidaan saada kaavat mielivaltaisen muotoisten kappaleiden painovoiman laskemiseksi. Newtonin gravitaatioteoria kuvaa hyvin aurinkokunnan planeettojen ja monien muiden taivaankappaleiden liikettä. Se perustuu kuitenkin pitkän kantaman toiminnan käsitteeseen, joka on ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa. Siksi klassinen painovoimateoria ei sovellu kuvaamaan lähellä valonnopeutta liikkuvien kappaleiden liikettä, äärimmäisen massiivisten esineiden (esimerkiksi mustien aukkojen) gravitaatiokenttiä sekä muuttuvia gravitaatiokenttiä, jotka liikkuvat ruumiit suurilla etäisyyksillä niistä.

Yleisempi painovoimateoria on Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria. Siinä painovoimalle ei ole ominaista invariantti voima, joka ei riipu vertailukehyksestä. Sen sijaan kappaleiden vapaata liikkumista gravitaatiokentässä, jonka havainnoitsija näkee liikkumisena kaarevia lentoratoja pitkin kolmiulotteisessa aika-avaruudessa vaihtelevalla nopeudella, pidetään inertialiikkeenä geodeettista linjaa pitkin kaarevassa neliulotteisessa avaruudessa. -aika, jossa aika virtaa eri tavalla eri pisteissä. Lisäksi tämä viiva on tietyssä mielessä "suorin" - se on sellainen, että tila-aikaväli (oikea aika) tietyn kappaleen kahden aika-avaruusaseman välillä on maksimi. Avaruuden kaarevuus riippuu kappaleiden massasta sekä kaikista järjestelmässä olevista energiatyypeistä.

6. Sähköstaattinen kenttä (kiinteiden varausten kenttä).

Fysiikan kehitys Newtonin jälkeen lisäsi kolmeen päämäärään (pituus, massa, aika) sähkövarauksen, jonka mitat olivat C. Käytännön vaatimusten perusteella he eivät kuitenkaan alkaneet käyttää varausyksikköä, vaan yksikköä sähkövirta päämittayksikkönä. Joten SI-järjestelmässä perusyksikkö on ampeeri ja latauksen yksikkö on riipus, sen johdannainen.

Koska varaus sellaisenaan ei ole olemassa sitä kantavasta kappaleesta riippumatta, ilmenee kappaleiden sähköinen vuorovaikutus saman mekaniikassa tarkastellun voiman muodossa, joka aiheuttaa kiihtyvyyttä. Kahden pistevarauksen sähköstaattiseen vuorovaikutukseen arvojen kanssa sovellettuina ja tyhjiössä sijaitsevana käytetään Coulombin lakia. SI-järjestelmää vastaavassa muodossa sillä on muoto:

missä on voima, jolla varaus 1 vaikuttaa varaukseen 2; Kun varaukset asetetaan homogeeniseen ja isotrooppiseen väliaineeseen, vuorovaikutusvoima pienenee kertoimella ε, missä ε on väliaineen permittiivisyys.

Voima suunnataan pistevaraukset yhdistävää linjaa pitkin. Graafisesti sähköstaattinen kenttä on yleensä kuvattu kuvana voimalinjoista, jotka ovat kuvitteellisia lentoratoja, joita pitkin massaton varautunut hiukkanen liikkuisi. Nämä rivit alkavat yhdellä ja päättyvät toiseen lataukseen.

7. Sähkömagneettinen kenttä (tasavirtakenttä).

Magneettikentän olemassaolon tunnistivat jo keskiajalla kiinalaiset, jotka käyttivät "rakastavaa kiveä" - magneettia - magneettisen kompassin prototyyppinä. Graafisesti magneettikenttä on yleensä kuvattu suljettuina voimalinjoina, joiden tiheys (kuten sähköstaattisen kentän tapauksessa) määrää sen voimakkuuden. Historiallisesti visuaalinen tapa visualisoida magneettikenttä olivat rautaviilat, jotka kaadettiin esimerkiksi magneetin päälle asetetulle paperille.

Oersted havaitsi, että johtimen läpi kulkeva virta aiheuttaa magneettisen neulan taipumisen.

Faraday tuli siihen tulokseen, että virtaa kuljettavan johtimen ympärille muodostuu magneettikenttä.

Ampere esitti fysiikassa tunnustetun hypoteesin mallina magneettikentän syntyprosessista, joka koostuu mikroskooppisten suljettujen virtojen olemassaolosta materiaaleissa, jotka yhdessä aikaansaavat luonnollisen tai indusoidun magnetismin vaikutuksen.

Ampere havaitsi, että tyhjiössä olevassa vertailukehyksessä, jonka suhteen varaus on liikkeessä, eli se käyttäytyy kuin sähkövirta, syntyy magneettikenttä, jonka intensiteetin määrää tasossa oleva magneettinen induktiovektori kohtisuorassa varauksen liikesuuntaan nähden.

Magneettisen induktion yksikkö on tesla: 1 T = 1 T kg s −2 A −2
Ongelman ratkaisi kvantitatiivisesti Ampere, joka mittasi kahden rinnakkaisen johtimen vuorovaikutusvoiman niiden läpi kulkevien virtojen kanssa. Toinen johtimista loi ympärilleen magneettikentän, toinen reagoi tähän kenttään lähestymällä tai poistumalla mitattavalla voimalla, tietäen mikä ja virran voimakkuuden suuruus, oli mahdollista määrittää magneettisen induktiovektorin moduuli.

Voimavuorovaikutus sähkövarausten välillä, jotka eivät ole liikkeessä toisiinsa nähden, kuvataan Coulombin lailla. Toistensa suhteen liikkeessä olevat varaukset luovat kuitenkin magneettikenttiä, joiden kautta varausten liikkeen synnyttämät virrat pääsääntöisesti joutuvat voimavuorovaikutuksen tilaan.

Perimmäinen ero varausten suhteellisesta liikkeestä aiheutuvan voiman ja niiden paikallaan olevan sijoituksen välillä on näiden voimien geometrian ero. Sähköstaattisen virran tapauksessa kahden varauksen vuorovaikutusvoimat suunnataan niitä yhdistävää linjaa pitkin. Siksi tehtävän geometria on kaksiulotteinen ja tarkastelu suoritetaan tämän viivan läpi kulkevassa tasossa.

Virtojen tapauksessa virran synnyttämää magneettikenttää kuvaava voima sijaitsee tasossa, joka on kohtisuorassa virtaa vastaan. Siksi kuva ilmiöstä tulee kolmiulotteiseksi. Magneettikenttä, jonka ensimmäisen virran elementti, jonka pituus on äärettömän pieni, muodostaa vuorovaikutuksessa toisen virran saman elementin kanssa, muodostaa yleensä siihen vaikuttavan voiman. Lisäksi molemmille virroille tämä kuva on täysin symmetrinen siinä mielessä, että virtojen numerointi on mielivaltainen.

Virtojen vuorovaikutuksen lakia käytetään tasavirran standardointiin.

8. Vahva vuorovaikutus.

Vahva vuorovaikutus on perustavanlaatuinen lyhyen kantaman vuorovaikutus hadronien ja kvarkkien välillä. Atomiytimessä vahva voima pitää yhdessä positiivisesti varautuneita (sähköstaattista hylkimistä kokevia) protoneja, tämä tapahtuu pi-mesonien vaihdon kautta nukleonien (protonien ja neutronien) välillä. Pi-mesonit elävät hyvin vähän, niiden elinikä riittää vain tuottamaan ydinvoimat ytimen säteellä, joten ydinvoimia kutsutaan lyhyen kantaman voimille. Neutronien määrän lisääntyminen "laimentaa" ydintä vähentäen sähköstaattisia voimia ja lisäämällä ydinvoimaa, mutta suurella määrällä neutroneja, jotka ovat fermioneja, he itse alkavat kokea hylkimistä Paulin periaatteen vuoksi. Myös kun nukleonit ovat liian lähellä toisiaan, alkaa W-bosonien vaihto, mikä aiheuttaa repulsiota, jonka ansiosta atomiytimet eivät "lupaudu".

Itse hadroneissa vahva voima pitää yhdessä hadronit muodostavat kvarkit. Vahvan kentän kvantit ovat gluonit. Jokaisella kvarkilla on yksi kolmesta "väri"varauksesta, jokainen gluoni koostuu "väri" - "anticolor" -parista. Gluonit sitovat kvarkkeja ns. "suljetus", jonka vuoksi vapaita kvarkeja ei ole havaittu kokeessa tällä hetkellä. Kun kvarkit siirtyvät erilleen toisistaan, gluonisidosten energia kasvaa, eikä vähene kuten ydinvuorovaikutuksessa. Kulutettuaan paljon energiaa (törmäyttämällä hadroneja kiihdyttimessä) voidaan katkaista kvarkki-gluonisidos, mutta tässä tapauksessa uusien hadronien suihku lähtee ulos. Vapaita kvarkeja voi kuitenkin esiintyä avaruudessa: jos kvarkki onnistui välttämään sulkemisen alkuräjähdyksen aikana, niin todennäköisyys tuhoutua vastaavalla antikvarkilla tai muuttua värittömäksi hadroniksi sellaiselle kvarkille on häviävän pieni.

9. Heikko vuorovaikutus.

Heikko vuorovaikutus on perustavanlaatuinen lyhyen kantaman vuorovaikutus. Alue 10 −18 m. Symmetrinen spatiaalisen inversion ja varauskonjugaation yhdistelmän suhteen. Heikko vuorovaikutus sisältää kaiken perustavanlaatuisenfermionit (leptonit ja kvarkit). Tämä on ainoa vuorovaikutus, johon liittyyneutrino(mainitsematta painovoima, mitätön laboratorio-olosuhteissa), mikä selittää näiden hiukkasten valtavan tunkeutumiskyvyn. Heikko vuorovaikutus sallii leptonit, kvarkit ja niidenantihiukkasia vaihto energiaa, paino, sähkövaraus ja kvanttiluvut- eli muuttuvat toisikseen. Yksi ilmenemismuodoistabeetan hajoaminen.

On tarpeen tietää kunkin voiman kohdistamispiste ja suunta. On tärkeää pystyä määrittämään tarkasti, mitkä voimat vaikuttavat kehoon ja mihin suuntaan. Voimaa merkitään , mitattuna newtoneina. Voimien erottamiseksi toisistaan ​​ne on nimetty seuraavasti

Alla on tärkeimmät luonnossa toimivat voimat. On mahdotonta keksiä olemattomia voimia ongelmien ratkaisussa!

Luonnossa on monia voimia. Tässä tarkastellaan voimia, jotka otetaan huomioon koulun fysiikan kurssilla dynamiikkaa opiskellessa. Myös muut voimat mainitaan, joita käsitellään muissa osioissa.

Painovoima

Maan painovoima vaikuttaa jokaiseen planeetan kehoon. Voima, jolla maa vetää jokaista kappaletta puoleensa, määräytyy kaavan mukaan

Käyttöpiste on kehon painopisteessä. Painovoima osoittaa aina pystysuoraan alaspäin.

Kitkavoima

Tutustutaan kitkavoimaan. Tämä voima syntyy, kun kappaleet liikkuvat ja kaksi pintaa joutuvat kosketuksiin. Voima syntyy siitä, että pinnat eivät mikroskoopilla katsottuna ole sileitä miltä ne näyttävät. Kitkavoima määritetään kaavalla:

Kahden pinnan kosketuspisteeseen kohdistetaan voima. Suunnattu liikettä vastakkaiseen suuntaan.

Tue reaktiovoimaa

Kuvittele hyvin painava esine makaamassa pöydällä. Pöytä taipuu esineen painon alla. Mutta Newtonin kolmannen lain mukaan pöytä vaikuttaa esineeseen täsmälleen samalla voimalla kuin pöydällä oleva esine. Voima on suunnattu vastakkain voimaa, jolla esine painaa pöytää. Se on ylös. Tätä voimaa kutsutaan tukireaktioksi. Voiman nimi "puhuu" reagoida tuki. Tämä voima syntyy aina, kun se vaikuttaa tukeen. Sen esiintymisen luonne molekyylitasolla. Kohde ikään kuin muutti molekyylien tavanomaista sijaintia ja yhteyksiä (taulukon sisällä), ne puolestaan ​​​​pyrkivät palaamaan alkuperäiseen tilaansa, "vastustamaan".

Ehdottomasti mikä tahansa runko, jopa erittäin kevyt (esimerkiksi pöydällä makaava kynä), muuttaa tukea mikrotasolla. Siksi tapahtuu tukireaktio.

Tämän voiman löytämiseksi ei ole erityistä kaavaa. He nimeävät sen kirjaimella, mutta tämä voima on vain erillinen kimmovoiman tyyppi, joten se voidaan merkitä myös nimellä

Voima kohdistetaan kohtaan, jossa esine koskettaa tukea. Suunnattu kohtisuoraan tukeen nähden.

Koska ruumis on esitetty materiaalipisteenä, voima voidaan kuvata keskeltä

Elastinen voima

Tämä voima syntyy muodonmuutoksen (aineen alkutilan muutoksen) seurauksena. Esimerkiksi kun venytetään jousta, lisäämme jousimateriaalin molekyylien välistä etäisyyttä. Kun puristamme jousta, vähennämme sitä. Kun käännämme tai vaihdamme. Kaikissa näissä esimerkeissä syntyy voima, joka estää muodonmuutosta - kimmovoima.

Hooken laki

Elastinen voima on suunnattu muodonmuutosta vastapäätä.

Koska ruumis on esitetty materiaalipisteenä, voima voidaan kuvata keskeltä

Kytkettäessä sarjaan esimerkiksi jousia, jäykkyys lasketaan kaavalla

Rinnakkain kytkettynä jäykkyys

Näytteen jäykkyys. Youngin moduuli.

Youngin moduuli luonnehtii aineen elastisia ominaisuuksia. Tämä on vakioarvo, joka riippuu vain materiaalista, sen fysikaalisesta tilasta. Kuvaa materiaalin kykyä vastustaa veto- tai puristusmuodonmuutoksia. Youngin moduulin arvo on taulukkomuotoinen.

Lue lisää kiinteiden aineiden ominaisuuksista.

Kehon paino

Kehon paino on voima, jolla esine vaikuttaa tukeen. Sanot sen olevan painovoimaa! Hämmennys tapahtuu seuraavassa: todellakin usein kehon paino on yhtä suuri kuin painovoima, mutta nämä voimat ovat täysin erilaisia. Painovoima on voima, joka syntyy vuorovaikutuksesta Maan kanssa. Paino on seurausta vuorovaikutuksesta tuen kanssa. Painovoima kohdistuu kohteen painopisteeseen, kun taas paino on voima, joka kohdistuu tukeen (ei esineeseen)!

Painon määrittämiseen ei ole kaavaa. Tämä voima on merkitty kirjaimella .

Tukireaktiovoima eli kimmovoima syntyy vasteena esineen iskeytymiseen jousitukseen tai tukeen, joten kehon paino on aina numeerisesti sama kuin kimmovoima, mutta sen suunta on päinvastainen.

Tuen reaktiovoima ja paino ovat saman luonteisia voimia, Newtonin 3. lain mukaan ne ovat yhtä suuria ja vastakkaisiin suuntautuneita. Paino on voima, joka vaikuttaa tukeen, ei kehoon. Painovoima vaikuttaa kehoon.

Kehon paino ei välttämättä ole sama kuin painovoima. Se voi olla enemmän tai vähemmän, tai se voi olla sellainen, että paino on nolla. Tätä tilaa kutsutaan painottomuutta. Painottomuus on tila, jossa esine ei ole vuorovaikutuksessa tuen kanssa, esimerkiksi lentotila: painovoima on, mutta paino on nolla!

On mahdollista määrittää kiihtyvyyden suunta, jos määrität, mihin resultanttivoima on suunnattu

Huomaa, että paino on voima, mitattuna newtoneina. Kuinka vastata oikein kysymykseen: "Kuinka paljon painat"? Vastaamme 50 kg, emme painoa, vaan massamme! Tässä esimerkissä painomme on yhtä suuri kuin painovoima, joka on noin 500 N!

Ylikuormitus- painon ja painovoiman suhde

Archimedesin vahvuus

Voima syntyy kehon vuorovaikutuksesta nesteen (kaasun) kanssa, kun se upotetaan nesteeseen (tai kaasuun). Tämä voima työntää kehon ulos vedestä (kaasusta). Siksi se on suunnattu pystysuoraan ylöspäin (työntää). Määritetään kaavalla:

Ilmassa jätämme huomiotta Archimedesin voiman.

Jos Archimedesin voima on yhtä suuri kuin painovoima, keho kelluu. Jos Arkhimedes-voima on suurempi, niin se nousee nesteen pintaan, jos se on pienempi, se uppoaa.

sähköiset voimat

On olemassa sähköistä alkuperää olevia voimia. Tapahtuu sähkövarauksen läsnä ollessa. Näitä voimia, kuten Coulombin voima, Ampèren voima, Lorentzin voima, käsitellään yksityiskohtaisesti Sähkö-osiossa.

Kaaviollinen merkintä kehoon vaikuttavista voimista

Usein kehon mallintaa materiaalinen piste. Siksi kaavioissa eri käyttöpisteet siirretään yhteen pisteeseen - keskustaan, ja runko on kuvattu kaavamaisesti ympyränä tai suorakulmiona.

Voimien nimeämiseksi oikein on tarpeen luetella kaikki kappaleet, joiden kanssa tutkittava keho on vuorovaikutuksessa. Määritä, mitä tapahtuu kunkin kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen seurauksena: kitka, muodonmuutos, vetovoima tai ehkä hylkiminen. Määritä voiman tyyppi, osoita suunta oikein. Huomio! Voimien määrä on sama kuin kappaleiden lukumäärä, joiden kanssa vuorovaikutus tapahtuu.

Tärkein asia muistaa

1) Voimat ja niiden luonne;
2) Voimien suunta;
3) Osaa tunnistaa vaikuttavat voimat

Erottele ulkoinen (kuiva) ja sisäinen (viskoosinen) kitka. Ulkoista kitkaa esiintyy kosketuksissa olevien kiinteiden pintojen välillä, sisäistä kitkaa tapahtuu neste- tai kaasukerrosten välillä niiden suhteellisen liikkeen aikana. Ulkoista kitkaa on kolmenlaisia: staattinen kitka, liukukitka ja vierintäkitka.

Vierintäkitka määräytyy kaavan mukaan

Vastusvoima syntyy, kun kappale liikkuu nesteessä tai kaasussa. Vastusvoiman suuruus riippuu kappaleen koosta ja muodosta, sen liikkeen nopeudesta ja nesteen tai kaasun ominaisuuksista. Pienillä nopeuksilla vastusvoima on verrannollinen kehon nopeuteen

Suurilla nopeuksilla se on verrannollinen nopeuden neliöön

Harkitse kohteen ja maan keskinäistä vetovoimaa. Niiden välillä painovoimalain mukaan syntyy voima

Verrataan nyt painovoimalakia ja painovoimaa

Vapaan pudotuksen kiihtyvyyden arvo riippuu Maan massasta ja sen säteestä! Siten on mahdollista laskea, millä kiihtyvyydellä Kuun tai minkä tahansa muun planeetan esineet putoavat, käyttämällä kyseisen planeetan massaa ja sädettä.

Etäisyys Maan keskustasta napoihin on pienempi kuin päiväntasaajaan. Siksi vapaan pudotuksen kiihtyvyys päiväntasaajalla on hieman pienempi kuin navoilla. Samalla on huomattava, että pääasiallinen syy vapaan pudotuksen kiihtyvyyden riippuvuuteen alueen leveysasteesta on se, että Maa pyörii akselinsa ympäri.

Siirtyessään pois maan pinnasta painovoima ja vapaan pudotuksen kiihtyvyys muuttuvat käänteisesti Maan keskipisteen etäisyyden neliön kanssa.