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 suuruudeltaan ja suunnaltaan samansuuruisia vektoreita, riippumatta niiden soveltamispisteestä, pidetään samana vektorina. Fysiikassa näitä vektoreita kutsutaan vapaiksi vektoreiksi. Mekaniikassa on äärimmäisen yleinen ajatus kytketyistä vektoreista, joiden alku on kiinteästi tiettyyn pisteeseen avaruudessa tai voi sijaita viivalla, joka jatkaa vektorin suuntaa. (liukuvat vektorit). .

Konseptia käytetään myös voimalinja, joka tarkoittaa suoraa viivaa, joka kulkee sen voiman kohdistamispisteen kautta, jota pitkin voima on suunnattu.

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

Käsitteen historia

Muinaiset tiedemiehet käyttivät voiman käsitettä staattista ja liikettä koskevissa töissään. Hän tutki voimia yksinkertaisten mekanismien rakentamisprosessissa 3. vuosisadalla. eKr e. Archimedes. Aristoteleen ajatukset voimasta, joihin liittyy perustavanlaatuisia epäjohdonmukaisuuksia, säilyivät useita vuosisatoja. Nämä erot poistettiin 1600-luvulla. Isaac Newton, joka käyttää matemaattisia menetelmiä voiman kuvaamiseen. Newtonin mekaniikka pysyi yleisesti hyväksyttynä lähes kolmesataa vuotta. 1900-luvun alkuun mennessä. Albert Einstein osoitti suhteellisuusteoriassa, että Newtonin mekaniikka on oikea vain suhteellisen alhaisilla liikenopeuksilla ja järjestelmän kappaleiden massoilla, mikä selventää kinematiikan ja dynamiikan perusperiaatteet ja kuvasi joitain uusia aika-avaruuden ominaisuuksia.

Newtonin mekaniikka

Isaac Newton päätti kuvata esineiden liikettä hitauden ja voiman käsitteillä. Tehtyään tämän hän totesi samalla, että kaikki mekaaninen liike noudattaa yleisiä säilymislakeja. Newtonissa hän julkaisi kuuluisan teoksensa "", jossa hän hahmotteli klassisen mekaniikan kolme peruslakia (Newtonin kuuluisat lait).

Newtonin ensimmäinen laki

Esimerkiksi mekaniikan lait toteutuvat täsmälleen samalla tavalla kuorma-auton takana, kun se ajaa suoraa tieosuutta tasaisella nopeudella ja seisoo paikallaan. Henkilö voi heittää pallon pystysuoraan ylöspäin ja ottaa sen kiinni jonkin ajan kuluttua samasta paikasta riippumatta siitä, liikkuuko rekka tasaisesti ja suorassa linjassa vai lepotilassa. Hänelle pallo lentää suoraan. Ulkopuoliselle tarkkailijalle maassa pallon liikerata näyttää kuitenkin paraabelilta. Tämä johtuu siitä, että pallo liikkuu suhteessa maahan lennon aikana paitsi pystysuunnassa, myös vaakasuunnassa hitauden vaikutuksesta kuorma-auton liikkeen suunnassa. Kuorma-auton perässä istuvalle henkilölle ei ole väliä, liikkuuko rekka tietä pitkin vai liikkuuko ympäröivä maailma tasaisella nopeudella vastakkaiseen suuntaan ja rekka 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 yhtälö saa muodon:

Newtonin kolmas laki

Jokaiselle kahdelle kappaleelle (kutsutaanko niitä kappaleiksi 1 ja kappaleiksi 2) Newtonin kolmas laki sanoo, että kappaleen 1 vaikutusvoimaan kappaleeseen 2 liittyy voima, joka on suuruudeltaan yhtä suuri, mutta vastakkainen, ja joka vaikuttaa kehoon. 1 rungosta 2. Matemaattisesti laki on kirjoitettu näin:

Tämä laki tarkoittaa, että voimat esiintyvät 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 yksittäiset osat voivat kiihtyä, mutta vain siten, että järjestelmä kokonaisuutena pysyy levossa tai tasaisessa lineaarisessa liikkeessä. Kuitenkin, jos ulkoiset voimat vaikuttavat järjestelmään, sen massakeskus alkaa liikkua kiihtyvyydellä, joka on verrannollinen ulkoiseen resultanttivoimaan 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 näkyvät vain hyvin lyhyillä etäisyyksillä, ne ovat vastuussa subatomisten hiukkasten, mukaan lukien nukleonien, välisten vuorovaikutusten syntymisestä, joista atomiytimet koostuvat.

Vahvojen ja heikkojen vuorovaikutusten intensiteettiä mitataan energiayksiköitä(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, toisin sanoen joidenkin muiden hiukkasten välillä. Siksi korkean energian fyysikot välttävät sanan käyttöä pakottaa, korvaa sen sanalla vuorovaikutusta.

Jokainen vuorovaikutustyyppi johtuu vastaavien vuorovaikutuksen kantajien vaihdosta: gravitaatio - gravitonien vaihto (olemassaoloa ei ole vahvistettu kokeellisesti), sähkömagneettinen - virtuaaliset fotonit, heikot - vektoribosonit, vahvat - gluonit (ja suurilla etäisyyksillä - mesonit) . Tällä hetkellä sähkömagneettiset ja heikot voimat yhdistetään perustavanlaatuisemmaksi sähköheikommaksi voimaksi. Kaikki neljä perusvuorovaikutusta yritetään yhdistää yhdeksi (ns. grand unified teoria).

Kaikki luonnossa ilmenevien voimien monimuotoisuus voidaan periaatteessa pelkistää näihin neljään perusvuorovaikutukseen. Esimerkiksi kitka on ilmentymä kahden kosketuspinnan atomien välillä vaikuttavista sähkömagneettisista voimista ja Paulin poissulkemisperiaatteesta, joka estää atomien tunkeutumisen toistensa alueelle. Hooken lain kuvaama jousen muodonmuutoksen synnyttämä voima on myös seurausta hiukkasten välisistä sähkömagneettisista voimista ja Paulin poissulkemisperiaatteesta, joka pakottaa aineen kidehilan atomit pysymään lähellä tasapainoasemaa. .

Käytännössä ei kuitenkaan osoittautunut vain sopimattomaksi, vaan myös yksinkertaisesti mahdottomaksi ongelman olosuhteissa, niin yksityiskohtainen tarkastelu voimien toiminnasta.

Painovoima

Painovoima ( painovoima) - universaali vuorovaikutus minkä tahansa tyyppisten aineiden välillä. Klassisen mekaniikan puitteissa sitä kuvataan yleismaailmallisen painovoiman lailla, jonka Isaac Newton muotoili teoksessaan "Luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet". Newton sai kiihtyvyyden suuruuden, jolla Kuu liikkuu Maan ympäri, olettaen laskennassa, että painovoima pienenee käänteisesti suhteessa gravitaatiokappaleen etäisyyden neliöön. Lisäksi hän totesi myös, että kiihtyvyys, jonka aiheuttaa yhden kappaleen vetovoima toiseen kappaleeseen, on verrannollinen näiden kappaleiden massojen tuloon. Näiden kahden johtopäätöksen perusteella muotoiltiin gravitaatiolaki: 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 voit saada kaavoja mielivaltaisen muotoisten kappaleiden painovoiman laskemiseksi. Newtonin painovoimateoria kuvaa hyvin aurinkokunnan planeettojen ja monien muiden taivaankappaleiden liikettä. Se perustuu kuitenkin pitkän kantaman toiminnan käsitteeseen, mikä on ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa. Siksi klassinen painovoimateoria ei sovellu kuvaamaan lähellä valonnopeutta liikkuvien kappaleiden liikettä, äärimmäisen massiivisten esineiden (esimerkiksi mustien aukkojen) gravitaatiokenttiä, eikä myöskään ns. 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 perustuvien käytännön vaatimusten perusteella varauksen sijasta käytettiin kuitenkin usein sähkövirtaa dimensiolla I. , ja minä = CT − 1 . Varauksen määrän mittayksikkö on kuloni ja virran yksikkö on ampeeri.

Koska varaus sellaisenaan ei ole olemassa sitä kantavasta kappaleesta riippumatta, ilmenee kappaleiden sähköinen vuorovaikutus saman mekaniikassa käsitellyn voiman muodossa, joka toimii kiihtyvyyden aiheuttajana. Kahden "pistevarauksen" sähköstaattisen vuorovaikutuksen suhteen 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 ε kertaa, 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 ilman massaa liikkuisi. Nämä linjat alkavat yhdellä latauksella ja päättyvät toiseen.

Sähkömagneettinen kenttä (tasavirtakenttä)

Magneettikentän olemassaolon tunnistivat jo keskiajalla kiinalaiset, jotka käyttivät "rakastavaa kiveä" - magneettia - magneettisen kompassin prototyyppinä. Graafisesti magneettikenttä on yleensä kuvattu suljettujen voimalinjojen muodossa, joiden tiheys (kuten sähköstaattisen kentän tapauksessa) määrää sen voimakkuuden. Historiallisesti visuaalinen tapa visualisoida magneettikenttä oli rautaviilaus, joka oli ripoteltu esimerkiksi magneetin päälle asetetulle paperille.

Johdetut voimatyypit

Elastinen voima- voima, joka syntyy kappaleen muodonmuutoksen aikana ja vastustaa tätä muodonmuutosta. Elastisten muodonmuutosten tapauksessa se on potentiaalinen. Elastinen voima on luonteeltaan sähkömagneettinen, ja se on molekyylien välisen vuorovaikutuksen makroskooppinen ilmentymä. Elastinen voima on suunnattu siirtymää vastapäätä, kohtisuorassa pintaan nähden. Voimavektori on vastakkainen molekyylin siirtymän suunnalle.

Kitkavoima- voima, joka syntyy kiinteiden kappaleiden suhteellisen liikkeen aikana ja vastustaa tätä liikettä. Viittaa dissipatiivisiin voimiin. Kitkavoima on luonteeltaan sähkömagneettinen ja se on molekyylien välisen vuorovaikutuksen makroskooppinen ilmentymä. Kitkavoimavektori on suunnattu vastapäätä nopeusvektoria.

Keskimääräinen vastusvoima- voima, joka syntyy, kun kiinteä kappale liikkuu nestemäisessä tai kaasumaisessa väliaineessa. Viittaa dissipatiivisiin voimiin. Vastusvoima on luonteeltaan sähkömagneettinen, ja se on molekyylien välisen vuorovaikutuksen makroskooppinen ilmentymä. Vastusvoimavektori on suunnattu vastapäätä nopeusvektoria.

Normaali maareaktiovoima- tuesta kehoon vaikuttava elastinen voima. Suunnattu kohtisuoraan tuen pintaan nähden.

Pintajännitysvoimat- vaiheen rajapinnalla syntyvät voimat. Sillä on sähkömagneettinen luonne ja se on molekyylien välisen vuorovaikutuksen makroskooppinen ilmentymä. Vetovoima kohdistuu tangentiaalisesti rajapintaan; syntyy faasirajalla sijaitsevien molekyylien kompensoimattoman vetovoiman seurauksena molekyylien, jotka eivät sijaitse faasirajalla.

Osmoottinen paine

Van der Waalsin joukot- sähkömagneettiset molekyylien väliset voimat, jotka syntyvät molekyylien polarisaation ja dipolien muodostumisen aikana. Van der Waalsin voimat pienenevät nopeasti etäisyyden kasvaessa.

Inertiavoima- fiktiivinen voima, joka on otettu käyttöön ei-inertiaalisissa referenssijärjestelmissä niin, että Newtonin toinen laki toteutuu niissä. Erityisesti tasaisesti kiihtyvään kappaleeseen liittyvässä vertailukehyksessä inertiavoima on suunnattu vastakkain kiihtyvyyteen nähden. Mukavuuden vuoksi keskipakovoima ja Coriolis-voima voidaan erottaa kokonaisinertiavoimasta.

Tuloksena

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

Katso myös

Lähteet

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

Huomautuksia

1. Sanasto. Maan observatorio. NASA. - "Voima on mikä tahansa ulkoinen tekijä, joka aiheuttaa muutoksen vapaan kappaleen liikkeessä tai sisäisten jännitysten esiintymistä kiinteässä kappaleessa."(Englanti)
2. Bronshtein I. N. Semendyaev K. A. Matematiikan käsikirja. M.: Kustantaja "Science" Fysikaalisen ja matemaattisen kirjallisuuden toimittaja. 1964.

Luonnossa on neljän tyyppisiä voimia: gravitaatio, sähkömagneettinen, ydinvoima ja heikko.

Gravitaatiovoimat tai painovoima, toimia kaikkien elinten välillä. Mutta nämä voimat ovat havaittavissa, jos ainakin yhden kappaleen mitat ovat verrattavissa planeettojen kokoon. Tavallisten kappaleiden väliset vetovoimat ovat niin pieniä, että ne voidaan jättää huomiotta. Siksi planeettojen, samoin kuin planeettojen ja auringon tai muiden kappaleiden, joilla on erittäin suuri massa, välisiä vuorovaikutusvoimia voidaan pitää gravitaatioina. Nämä voivat olla tähtiä, planeettojen satelliitteja jne.

Sähkömagneettiset voimat toimii sähkövarauksen omaavien kappaleiden välillä.

Ydinvoimat(vahvat) ovat voimakkaimpia luonnossa. Ne toimivat atomiytimien sisällä 10-13 cm:n etäisyyksillä.

Heikot voimat, kuten ydinvoimat, toimivat lyhyillä, luokkaa 10-15 cm:n etäisyyksillä, joiden toiminnan seurauksena ytimen sisällä tapahtuu prosesseja.

Mekaniikka ottaa huomioon painovoimat, kimmovoimat ja kitkavoimat.

Gravitaatiovoimat

Gravitaatio kuvataan universaalin painovoiman laki. Tämä laki oli Newtonin hahmottama keskellä XVII V. teoksessa "Luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet".

Painovoiman mukaansitä kutsutaan painovoimaksi, jolla materiaalihiukkaset vetävät toisiaan puoleensa.

Voima, jolla materiaalihiukkaset vetävät toisiaan puoleensa, on suoraan verrannollinen niiden massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön .

G – gravitaatiovakio, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin gravitaatiovoiman moduuli, jolla yksikkömassainen kappale vaikuttaa kappaleeseen, jolla on sama yksikkömassa ja joka sijaitsee yksikköetäisyydellä siitä.

G = 6,67384(80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 tai N m² kg −2.

Maan pinnalla painovoima (painovoima) ilmenee mm painovoima.

Näemme, että mikä tahansa vaakasuuntaan heitetty esine putoaa edelleen alas. Kaikki ylös heitetty esine putoaa myös alas. Tämä tapahtuu painovoiman vaikutuksesta, joka vaikuttaa mikä tahansa aineellinen kappale, joka sijaitsee lähellä maan pintaa. Painovoima vaikuttaa kappaleisiin ja muiden tähtitieteellisten kappaleiden pintoihin. Tämä voima suunnataan aina pystysuoraan alaspäin.

Painovoiman vaikutuksesta kappale liikkuu kiihtyvällä tahdilla kohti planeetan pintaa, jota kutsutaan vapaan pudotuksen kiihtyvyys.

Painovoiman kiihtyvyys maan pinnalla on merkitty kirjaimella g .

Ft = mg ,

siten,

g = Ft / m

g = 9,81 m/s 2 Maan napoilla ja päiväntasaajalla g = 9,78 m/s2.

Kun ratkaistaan ​​yksinkertaisia ​​fyysisiä ongelmia, arvo g sen katsotaan olevan 9,8 m/s 2.

Klassista painovoimateoriaa voidaan soveltaa vain kappaleisiin, joiden nopeus on paljon pienempi kuin valon nopeus.

Elastiset voimat

Elastiset voimat Niitä kutsutaan voimiksi, jotka syntyvät kehossa muodonmuutoksen seurauksena ja muuttavat sen muotoa tai tilavuutta. Nämä voimat pyrkivät aina palauttamaan kehon alkuperäiseen asentoonsa.

Muodonmuutosten aikana kehon hiukkaset siirtyvät. Elastinen voima on suunnattu hiukkasten siirtymissuuntaa vastakkaiseen suuntaan. Jos muodonmuutos lakkaa, kimmovoima häviää.

Englantilainen fyysikko Robert Hooke, Newtonin aikalainen, löysi lain, joka vahvistaa yhteyden elastisuusvoiman ja kehon muodonmuutoksen välillä.

Kun kappale muuttuu, syntyy elastinen voima, joka on suoraan verrannollinen kappaleen venymään ja jonka suunta on päinvastainen kuin hiukkasten liike muodonmuutoksen aikana.

F = k ∆ l ,

Missä Vastaanottaja – rungon jäykkyys tai elastisuuskerroin;

∆ l – muodonmuutoksen määrä, joka osoittaa kehon venymän määrän elastisten voimien vaikutuksesta.

Hooken laki koskee kimmoisia muodonmuutoksia, kun kappaleen venymä on pieni ja kappale palauttaa alkuperäiset mitat, kun tämän muodonmuutoksen aiheuttaneet voimat katoavat.

Jos muodonmuutos on suuri eikä kappale palaa alkuperäiseen muotoonsa, Hooken laki ei päde. klo Erittäin suuret muodonmuutokset aiheuttavat kehon tuhoutumista.

Kitkavoimat

Kitkaa syntyy, kun yksi kappale liikkuu toisen pinnalla. Se on luonteeltaan sähkömagneettista. Tämä on seurausta kosketuksissa olevien kappaleiden atomien ja molekyylien välisestä vuorovaikutuksesta. Kitkavoiman suunta on vastakkainen liikesuuntaan nähden.

Erottaa kuiva Ja nestettä kitka. Kitkaa kutsutaan kuivaksi, jos kappaleiden välissä ei ole nestemäistä tai kaasumaista kerrosta.

Kuivan kitkan erottuva piirre on staattinen kitka, joka syntyy, kun kehot ovat suhteellisen levossa.

Suuruus staattiset kitkavoimat aina yhtä suuri kuin ulkoisen voiman suuruus ja suunnattu vastakkaiseen suuntaan. Staattisen kitkan voima estää kehon liikkeen.

Kuivakitka puolestaan ​​jaetaan kitkaan lipsahdus ja kitkaa rullaa.

Jos ulkoisen voiman suuruus ylittää kitkavoiman suuruuden, tapahtuu luistoa ja yksi kosketuksissa olevista kappaleista alkaa liikkua eteenpäin suhteessa toiseen kappaleeseen. Ja kitkavoimaa kutsutaan liukuva kitkavoima. Sen suunta on päinvastainen kuin liukusuunta.

Liukukitkavoima riippuu voimasta, jolla kappaleet painavat toisiaan, hankauspintojen tilasta, liikkeen nopeudesta, mutta ei riipu kosketusalueesta.

Yhden kappaleen liukukitkavoima toisen pinnalla lasketaan kaavalla:

F tr. = k N ,

Missä k – liukuva kitkakerroin;

N – pinnasta kehoon vaikuttava normaali reaktiovoima.

Vierintäkitkavoima tapahtuu pinnan yli vierivän kappaleen ja itse pinnan välillä. Tällaisia ​​voimia esiintyy esimerkiksi silloin, kun autonrenkaat joutuvat kosketuksiin tienpinnan kanssa.

Vierintäkitkavoiman suuruus lasketaan kaavalla

Missä Ft – vierintäkitkavoima;

f – vierintäkitkakerroin;

R – vierivän rungon säde;

N – puristusvoima.

Newtonin lait

Newtonin ensimmäinen laki

On olemassa sellaisia ​​vertailujärjestelmiä, joita kutsutaan inertiaaleiksi, joihin nähden kappaleet säilyttävät nopeudensa muuttumattomana, jos muut kappaleet eivät vaikuta niihin tai kompensoi muiden voimien vaikutusta.

Newtonin II laki

Kappaleen kiihtyvyys on suoraan verrannollinen kehoon kohdistuviin resultantvoimiin ja kääntäen verrannollinen sen massaan:

Newtonin III laki

Voimat, joilla kaksi kappaletta vaikuttavat toisiinsa, ovat suuruudeltaan yhtä suuret ja vastakkaiset.

Voimien tyypit

Elastinen voima kutsutaan voimaksi, joka syntyy kehossa sen muodon tai koon muuttuessa. Tämä tapahtuu, kun vartaloa puristetaan, venytetään, taivutetaan tai kierretään. Esimerkiksi kimmovoima syntyi jousessa sen puristamisen seurauksena ja vaikuttaa tiileen.
Elastinen voima on aina suunnattu vastakkaisesti voimaa, joka aiheutti muutoksen kehon muotoon tai kokoon. Esimerkissämme putoava tiili puristi jousta, eli se vaikutti siihen alaspäin suunnatulla voimalla. Tämän seurauksena jousessa syntyi elastinen voima, joka oli suunnattu vastakkaiseen suuntaan, eli ylöspäin. Voimme vahvistaa tämän tarkkailemalla tiilen pomppimista.

Hooken laki: muodonmuutosvektoriin muodostuva kimmovoima on suoraan verrannollinen muodonmuutosvektoriin ja on sen suunnassa vastakkainen.
missä k on kimmokerroin, L on elastisen muodonmuutoksen suuruus.

Painovoiman avulla kutsutaan voimaksi, jolla kaikki maailman kappaleet vetävät toisiaan puoleensa (katso § 2-a). Gravitaatiovoiman tyyppi on painovoima - voima, jolla planeetan lähellä oleva kappale vetää sitä puoleensa. Esimerkiksi Marsiin sijoitettu raketti vaikuttaa myös painovoimaan.

Painovoima aina suunnattu planeetan keskustaan. Kuvasta näkyy, että maa vetää puoleensa poikaa ja palloa voimilla, jotka suuntautuvat alaspäin eli planeetan keskustaan. Kuten näette, suunta alaspäin on erilainen planeetan eri paikoissa. Tämä on totta muille planeetoille ja kosmisille kappaleille. Tutkimme painovoimaa tarkemmin kohdassa 3d.

Kitkavoima kutsutaan voimaksi, joka estää yhtä kappaletta liukumasta toisen pinnan yli. Katsotaanpa piirustusta. Auton voimakkaaseen jarrutukseen liittyy aina "jarrujen vinkuminen". Tämä ääni johtuu renkaiden luistamisesta asfaltilla. Tässä tapauksessa renkaat kuluvat suuresti, koska pyörien ja tien väliin vaikuttaa kitkavoima, joka estää liukastumisen.
Kitkavoima on aina suunnattu vastakkaiseen suuntaan kyseessä olevan kappaleen (mahdollisesti) liukumisen suuntaa pitkin toisen pintaa pitkin. Esimerkiksi auton jyrkästi jarrutettaessa sen pyörät luistavat eteenpäin, mikä tarkoittaa, että niihin vaikuttava tiellä oleva kitkavoima suuntautuu vastakkaiseen suuntaan eli taaksepäin.
Kitkavoima ei synny vain, kun yksi kappale liukuu toisen pinnan yli. Siellä on myös staattinen kitkavoima. Esimerkiksi kun työnnetään pois tieltä kengän kanssa, emme havaitse sen liukastumista. Tässä tapauksessa syntyy staattinen kitkavoima, jonka ansiosta siirrymme eteenpäin. Ilman tätä voimaa emme voisi ottaa askeltakaan, kuten esimerkiksi jäällä.

Archimedesin voimalla(tai kelluva voima) on voima, jolla neste tai kaasu vaikuttaa siihen upotettuun kappaleeseen - työntää sen ulos. Kuvasta näkyy, että vesi vaikuttaa kalojen uloshengittämiin ilmakupliin - se työntää ne pintaan. Vesi vaikuttaa myös kaloihin ja kiviin - se vähentää niiden painoa (voimaa, jolla kivet painavat pohjaa).

Vastustuksen voima. Voimaa, joka vaikuttaa kappaleeseen sen translaatioliikkeen aikana nesteessä tai kaasussa, kutsutaan vastusvoimaksi.
Vastusvoima riippuu kehon nopeudesta suhteessa ulkoiseen ympäristöön ja on suunnattu vastapäätä kehon nopeusvektoria.
missä k on suhteellisuuskerroin, joka riippuu kappaleen nopeudesta suhteessa väliaineeseen, V on kappaleen nopeuden moduuli suhteessa väliaineeseen.

Painovoiman vetovoima.
Gravitaatiovuorovaikutus kappaleiden välillä tapahtuu gravitaatiokentän kautta.
Gravitaatiovoimat suunnataan yhtä suoraa linjaa pitkin, joka yhdistää vuorovaikutuksessa olevia pisteitä, ts. ovat keskeiset voimat.

Universaalin gravitaatiolaki:
Kahden aineellisen pisteen välillä on keskinäisen vetovoiman voimia, jotka ovat verrannollisia pisteiden massojen tuloon, kääntäen verrannollisia niiden välisen etäisyyden neliöön.
missä G = 6,67 · 10^-11 (N m^2) / kg^2 on gravitaatiovakio, m1, m2 ovat materiaalipisteiden gravitaatiomassat, R on materiaalipisteiden välinen etäisyys.
Universaalin painovoiman laki pätee myös homogeenisille pallomaisille kappaleille. Tässä tapauksessa R on kappaleiden painopisteiden välinen etäisyys.

Kaikki ympärillämme olevat prosessit tapahtuvat yhden tai toisen fyysisen voiman vaikutuksesta. Ihminen kohtaa sen ilmentymisen kaikkialla, alkaen siitä, että hänen on käytettävä voimaa noustakseen sängystä aamulla, ja päättyen massiivisten avaruusobjektien liikkeisiin. Tämä artikkeli on omistettu kysymyksiin, mitä voimaa on fysiikassa ja minkä tyyppisiä sitä on olemassa.

vahvuuden käsite

Aloitetaan pohtimaan kysymystä siitä, mikä voima on fysiikassa sen määritelmän kanssa. Se ymmärretään suureksi, joka pystyy muuttamaan kyseisen kehon liikkeen määrää. Tämän määritelmän matemaattinen lauseke on:

Tässä dp¯ on liikemäärän muutos (muuten sitä kutsutaan liikemääräksi), dt on ajanjakso, jonka aikana se muuttuu. Tämä osoittaa, että F¯ (voima) on vektori, eli sen määrittämiseksi on tiedettävä sekä moduuli (absoluuttinen arvo) että sen soveltamissuunta.

Kuten tiedät, impulssi mitataan kg*m/s. Tämä tarkoittaa, että F¯ lasketaan yksikössä kg*m/s2. Tätä mittayksikköä kutsutaan newtoniksi (N) SI:ssä. Koska yksikkö m/s 2 on lineaarisen kiihtyvyyden mitta klassisessa mekaniikassa, Isaac Newtonin 2. laki seuraa automaattisesti voiman määritelmästä:

Tässä kaavassa a¯ = dv¯/dt on kiihtyvyys.

Tämä fysiikan voimakaava osoittaa, että Newtonin mekaniikassa suurelle F¯ on ominaista kiihtyvyys, jonka se voi antaa kappaleelle, jonka massa on m.

Voimatyyppien luokittelu

Fysiikan voima-aihe on varsin laaja, ja se vaikuttaa yksityiskohtaisesti tarkasteltuna peruskäsitteisiin aineen rakenteesta ja maailmankaikkeudessa tapahtuvista prosesseista. Tässä artikkelissa emme käsittele relativistisen voiman (lähellä valonopeuksilla tapahtuvia prosesseja) ja voiman käsitettä kvanttimekaniikassa, vaan rajoitamme sen kuvaukseen makroskooppisille objekteille, joiden liike määräytyy klassisen lain mukaan. mekaniikka.

Joten jokapäiväisen elämän ja luonnon prosessien päivittäisen havainnoinnin perusteella voidaan erottaa seuraavat voimatyypit:

• painovoima (painovoima);
• tuen vaikutus;
• kitka;
• jännitys;
• joustavuus;
• rekyyli.

Laajennamme kysymystä siitä, mikä voima on fysiikassa, tarkastellaan kutakin nimettyä tyyppiä yksityiskohtaisemmin.

Newtonin universaali gravitaatio

Fysiikassa painovoima ilmenee kahden massaltaan äärellisen kohteen vetovoimana. Painovoima on melko heikko verrattuna sähkö- tai ydinvoimiin. Se ilmenee kosmisessa mittakaavassa (planeettojen, tähtien, galaksien liike).

1600-luvulla Isaac Newton, joka tutki planeettojen liikettä Auringon ympärillä, päätyi muotoilemaan lain, jota kutsutaan universaaliksi gravitaatioksi. Fysiikassa painovoiman kaava kirjoitetaan seuraavasti:

G:n arvon kokeellisen määrityksen suoritti vasta 1700-luvun lopulla Henry Cavendish, joka käytti kokeessaan vääntövaakaa. Tämä koe mahdollisti planeettamme massan määrittämisen.

Yllä olevassa kaavassa, jos yksi kappaleista on maamme, minkä tahansa maan pinnan lähellä sijaitsevan kohteen gravitaatiovoima on yhtä suuri:

F = G*M *m/R2 = m*g,

jossa g = G*M/R2

Tässä M on planeetan massa, R on sen säde (kehon ja maan keskipisteen välinen etäisyys on suunnilleen sama kuin jälkimmäisen säde). Viimeinen lauseke on matemaattinen esitys suuresta, jota yleisesti kutsutaan ruumiinpainoksi, eli:

Lauseke osoittaa, että fysiikassa painovoima vastaa kehon painoa. Arvo P mitataan tuntemalla sen tuen reaktiovoima, jolla kyseinen kappale sijaitsee.

Tukipinnan reaktio

Miksi ihmiset, talot ja muut esineet eivät putoa maan alle? Miksi pöydälle asetettu kirja ei putoa? Nämä ja muut samankaltaiset tosiasiat selittyvät tukireaktiovoiman olemassaololla, jota usein merkitään kirjaimella N. Jo nimestä käy selväksi, että se on ominaista sen pinnan runkoon kohdistuvalle vaikutukselle, johon se kohdistuu. sijaitsee.

Huomatun tasapainon perusteella voimme kirjoittaa lausekkeen:

(vartalon vaaka-asennossa)

Eli tukivoima on suuruudeltaan yhtä suuri kuin kehon paino, jos se on vaakasuoralla pinnalla ja vastakkaiseen suuntaan. Jos kappale sijaitsee kaltevassa tasossa, niin N lasketaan trigonometrisen funktion (sin(x) tai cos(x)) avulla, koska P on aina suunnattu Maan keskustaan ​​(alas) ja N on suunnattu kohtisuoraan pintatasoon (ylös).

Voiman N esiintymisen syyn ymmärtäminen ylittää klassisen mekaniikan. Pähkinänkuoressa sanotaan, että se on suora seuraus ns. Paulin poissulkemisperiaatteesta. Sen mukaan kaksi elektronia ei voi olla samassa tilassa. Tämä tosiasia johtaa siihen, että jos tuot kaksi atomia lähemmäksi toisiaan, elektronikuoret eivät pysty tunkeutumaan toistensa 99-prosenttisesta tyhjyydestä huolimatta, ja niiden välillä ilmenee voimakas hylkäys.

Kitkavoima

Fysiikassa tämän tyyppiset voimatoimet ovat yhtä yleisiä kuin edellä käsitellyt. Kitkaa syntyy aina, kun esine alkaa liikkua. Yleisesti ottaen fysiikassa kitkavoima luokitellaan tavallisesti yhteen kolmesta tyypistä:

• rauha;
• lipsahdus;
• rullaa.

Kaksi ensimmäistä tyyppiä kuvataan seuraavalla lausekkeella:

Tässä μ on kitkakerroin, jonka arvo riippuu sekä voiman tyypistä (lepo tai kitka) että hankauspintojen materiaaleista.

Vierintäkitka, josta hyvä esimerkki on liikkuva pyörä, lasketaan kaavalla:

Tässä R on pyörän säde, f on kerroin, joka eroaa μ:stä paitsi arvon, myös mittasuhteen osalta (μ on dimensioton, f mitataan pituusyksiköissä).

Kaikenlainen kitkavoima on aina suunnattu liikettä vastaan, on suoraan verrannollinen voimaan N eikä riipu pintojen kosketusalueesta.

Syynä kitkan esiintymiseen kahden pinnan välillä on niiden mikro-epähomogeenisuus, mikä johtaa niiden "kiinnittymiseen" kuin pieniin koukkuihin. Tämä yksinkertainen selitys on melko hyvä likiarvo todellisesta prosessista, joka on paljon monimutkaisempi ja vaatii vuorovaikutusten huomioon ottamista atomimittakaavassa ymmärtääkseen täysin.

Annetut kaavat viittaavat kiinteiden aineiden kitkaan. Nestemäisten aineiden (nesteiden ja kaasujen) tapauksessa on myös kitkaa, vain se osoittautuu verrannolliseksi kohteen nopeuteen (nopeiden liikkeiden nopeuden neliö).

Jännitysvoima

Mikä on voima fysiikassa, kun tarkastellaan kuormien liikkumista köysien, köysien ja kaapeleiden avulla? Sitä kutsutaan jännitysvoimaksi. Se on yleensä merkitty kirjaimella T (katso kuva yllä).

Kun tarkastellaan fysiikan ongelmia, joihin liittyy jännitysvoimaa, niihin liittyy usein niin yksinkertainen mekanismi kuin lohko. Sen avulla voit ohjata vaikuttavaa voimaa T. Erityiset lohkomallit lisäävät kuorman nostamiseen käytettyä voimaa.

Elastisuuden ilmiö

Jos kiinteän aineen muodonmuutokset ovat pieniä (jopa 1%), ulkoisen voiman kohdistamisen jälkeen ne katoavat kokonaan. Tämän prosessin aikana muodonmuutos toimii, jolloin syntyy niin sanottu elastinen voima. Jouselle tätä määrää kuvaa Hooken laki. Vastaava kaava on:

Tässä x on jousen siirtymän määrä sen tasapainotilasta (absoluuttinen muodonmuutos), k on kerroin. Lausekkeen miinusmerkki osoittaa, että kimmovoima kohdistuu mitä tahansa muodonmuutosta (jännitystä ja puristusta) vastaan, eli sillä on taipumus palauttaa tasapainoasema.

Fysikaalinen syy kimmo- ja jännitysvoimien ilmaantumiselle on sama; se piilee vetovoiman tai hylkimisen esiintymisessä aineen atomien välillä, kun niiden välinen tasapainoetäisyys muuttuu.

Kaikki tietävät, että mistä tahansa tuliaseesta ammuttaessa tapahtuu niin sanottu rekyyli. Se ilmenee siinä, että aseen perä osuu ampujan olkapäähän ja panssarivaunu tai ase rullaa taaksepäin, kun ammus lentää suusta. Kaikki nämä ovat lahjoittautumisen voiman ilmentymiä. Sen kaava on samanlainen kuin artikkelin alussa, kun määritellään "voiman" käsite.

Kuten saatat arvata, syy rekyylivoimien esiintymiseen on järjestelmän liikemäärän säilymislain ilmentymä. Siten aseen piipusta heitetty luoti kuljettaa pois täsmälleen saman impulssin, jolla perä osuu ampujan olkapäähän, minkä seurauksena liikkeen kokonaismäärä pysyy vakiona (saa nollaa suhteellisen kiinteässä järjestelmässä).

On olemassa useita lakeja, jotka luonnehtivat fyysisiä prosesseja kappaleiden mekaanisten liikkeiden aikana.

Seuraavat fysiikan voimien peruslait erotetaan:

• painovoimalaki;
• universaalin painovoiman laki;
• kitkavoiman lait;
• kimmovoiman laki;
• Newtonin lait.

Painovoimalaki

Huomautus 1

Painovoima on yksi gravitaatiovoimien toiminnan ilmenemismuoto.

Painovoimaa esitetään voimana, joka vaikuttaa kehoon planeetan puolelta ja antaa sille kiihtyvyyttä painovoiman vaikutuksesta.

Vapaa pudotus voidaan katsoa muodossa $mg = G\frac(mM)(r^2)$, josta saadaan kaava vapaan pudotuksen kiihtyvyydelle:

$g = G\frac(M)(r^2)$.

Kaava painovoiman määrittämiseksi näyttää tältä:

$(\overline(F))_g = m\overline(g)$

Painovoimalla on tietty jakautumisvektori. Se on aina suunnattu pystysuunnassa alaspäin, eli kohti planeetan keskustaa. Keho on jatkuvasti painovoiman alainen, mikä tarkoittaa, että se on vapaassa pudotuksessa.

Liikkumisrata painovoiman vaikutuksesta riippuu:

• kohteen alkunopeuden moduuli;
• kehon nopeuden suunta.

Ihminen kohtaa tämän fyysisen ilmiön joka päivä.

Painovoima voidaan esittää myös kaavalla $P = mg$. Painovoiman vaikutuksesta kiihdytettäessä huomioidaan myös lisämäärät.

Jos tarkastelemme Isaac Newtonin muotoilemaa universaalin gravitaatiolakia, kaikilla kappaleilla on tietty massa. He houkuttelevat toisiaan voimalla. Sitä kutsutaan gravitaatiovoimaksi.

$F = G\frac(m_1m_2)(r^2)$

Tämä voima on suoraan verrannollinen kahden kappaleen massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön.

$G = 6.7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, missä $G$ on gravitaatiovakio ja sillä on kansainvälisen järjestelmän mukaan SI mittaa vakioarvon.

Määritelmä 1

Paino on voima, jolla kappale vaikuttaa planeetan pintaan painovoiman syntymisen jälkeen.

Tapauksissa, joissa keho on levossa tai liikkuu tasaisesti vaakasuoraa pintaa pitkin, paino on yhtä suuri kuin tukireaktiovoima ja on arvoltaan sama kuin painovoiman suuruus:

Tasaisesti kiihdytetyllä liikkeellä pystysuunnassa paino eroaa painovoimasta kiihtyvyysvektorin perusteella. Kun kiihtyvyysvektori on suunnattu vastakkaiseen suuntaan, syntyy ylikuormitustila. Tapauksissa, joissa runko ja tuki liikkuvat kiihtyvyydellä $a = g$, niin paino on nolla. Nollapainotilaa kutsutaan painottomuudella.

Gravitaatiokentän voimakkuus lasketaan seuraavasti:

$g = \frac(F)(m)$

Suuruus $F$ on painovoima, joka vaikuttaa materiaaliin, jonka massa on $m$.

Runko sijoitetaan tiettyyn kohtaan kentällä.

Kahden materiaalipisteen, joiden massat ovat $m_1$ ja $m_2$, gravitaatiovuorovaikutuksen potentiaalienergian on oltava etäisyydellä $r$ toisistaan.

Gravitaatiokentän potentiaali voidaan löytää kaavalla:

$\varphi = \Pi / m$

Tässä $П$ on materiaalipisteen potentiaalienergia, jonka massa on $m$. Se sijoitetaan tiettyyn kohtaan kentällä.

Kitkan lait

Muistio 2

Kitkavoima syntyy liikkeen aikana ja kohdistuu rungon liukumista vastaan.

Staattinen kitkavoima on verrannollinen normaaliin reaktioon. Staattinen kitkavoima ei riipu hankauspintojen muodosta ja koosta. Staattinen kitkakerroin riippuu niiden kappaleiden materiaalista, jotka tulevat kosketuksiin ja synnyttävät kitkavoiman. Kitkan lakeja ei kuitenkaan voida kutsua vakaiksi ja tarkkoiksi, koska tutkimustuloksissa havaitaan usein erilaisia ​​poikkeamia.

Perinteisessä kitkavoiman kirjoittamisessa käytetään kitkakerrointa ($\eta$), $N$ on normaali painevoima.

Myös ulkoinen kitka, vierintäkitkavoima, liukukitkavoima, viskoosi kitkavoima ja muut kitkatyypit eroavat toisistaan.

Joustovoiman laki

Elastinen voima on yhtä suuri kuin rungon jäykkyys, joka kerrotaan muodonmuutoksen määrällä:

$F = k \cdot \Delta l$

Klassisessa voimakaavassamme elastisen voiman etsimiseksi pääsijalla ovat kehon jäykkyyden ($k$) ja kehon muodonmuutoksen ($\Delta l$) arvot. Voiman yksikkö on newton (N).

Samanlainen kaava voi kuvata yksinkertaisimman muodonmuutostapauksen. Sitä kutsutaan yleisesti Hooken laiksi. Siinä todetaan, että kun kehoa yritetään muuttaa millä tahansa käytettävissä olevalla tavalla, kimmovoima pyrkii palauttamaan esineen muodon alkuperäiseen muotoonsa.

Fyysisen ilmiön ymmärtämiseksi ja tarkkaan kuvaamiseksi otetaan käyttöön lisäkäsitteitä. Elastisuuskerroin osoittaa riippuvuuden:

• materiaalin ominaisuudet;
• sauvojen koot.

Erityisesti erotetaan riippuvuus tangon mitoista tai poikkileikkausalasta ja pituudesta. Sitten kehon elastisuuskerroin kirjoitetaan muodossa:

$k = \frac(ES)(L)$

Tässä kaavassa määrä $E$ on ensimmäisen tyypin kimmokerroin. Sitä kutsutaan myös Youngin moduuliksi. Se kuvastaa tietyn materiaalin mekaanisia ominaisuuksia.

Suorittaessa suorien sauvojen laskelmia Hooken laki kirjoitetaan suhteellisessa muodossa:

$\Delta l = \frac(FL)(ES)$

On huomattava, että Hooken lain soveltaminen on tehokasta vain suhteellisen pienille muodonmuutoksille. Jos suhteellisuusrajan taso ylittyy, venymien ja jännitysten välisestä suhteesta tulee epälineaarinen. Joillekin välineille Hooken lakia ei voida soveltaa edes pieniin muodonmuutoksiin.