Skatīt arī "Fiziskais portāls"

Spēku kā vektora lielumu raksturo modulis , virziens Un pieteikuma "punkts". spēks. Ar pēdējo parametru spēka kā vektora jēdziens fizikā atšķiras no vektora jēdziena vektoru algebrā, kur vektori, kas ir vienādi pēc lieluma un virziena, neatkarīgi no to pielietošanas punkta, tiek uzskatīti par vienu un to pašu vektoru. Fizikā šos vektorus sauc par brīvajiem vektoriem.Mehānikā ārkārtīgi izplatīta ir ideja par savienotiem vektoriem, kuru sākums ir fiksēts noteiktā telpas punktā vai var atrasties uz līnijas, kas turpina vektora virzienu. (slīdošie vektori). .

Tiek izmantots arī jēdziens spēka līnija, kas apzīmē taisnu līniju, kas iet caur spēka pielikšanas punktu, pa kuru tiek virzīts spēks.

Spēka dimensija ir LMT −2, mērvienība Starptautiskajā vienību sistēmā (SI) ir ņūtons (N, N), CGS sistēmā tā ir dins.

Jēdziena vēsture

Spēka jēdzienu izmantoja senie zinātnieki savos darbos par statiku un kustību. Viņš pētīja spēkus vienkāršu mehānismu konstruēšanas procesā 3. gadsimtā. BC e. Arhimēds. Aristoteļa idejas par spēku, kas ietver fundamentālas pretrunas, saglabājās vairākus gadsimtus. Šīs neatbilstības tika novērstas 17. gadsimtā. Īzaks Ņūtons, izmantojot matemātiskas metodes, lai aprakstītu spēku. Ņūtona mehānika palika vispārpieņemta gandrīz trīs simtus gadu. Līdz 20. gadsimta sākumam. Alberts Einšteins relativitātes teorijā parādīja, ka Ņūtona mehānika ir pareiza tikai pie salīdzinoši zemiem kustības ātrumiem un ķermeņu masām sistēmā, tādējādi precizējot kinemātikas un dinamikas pamatprincipus un aprakstot dažas jaunas telpas-laika īpašības.

Ņūtona mehānika

Īzaks Ņūtons nolēma aprakstīt objektu kustību, izmantojot inerces un spēka jēdzienus. To paveicis, viņš vienlaikus konstatēja, ka visa mehāniskā kustība pakļaujas vispārējiem saglabāšanas likumiem. Ņūtonā viņš publicēja savu slaveno darbu “”, kurā viņš izklāstīja trīs klasiskās mehānikas pamatlikumus (slavenos Ņūtona likumus).

Ņūtona pirmais likums

Piemēram, mehānikas likumi tiek izpildīti tieši tādā pašā veidā kravas automašīnas aizmugurē, kad tā brauc pa taisnu ceļa posmu nemainīgā ātrumā un stāv uz vietas. Cilvēks var mest bumbu vertikāli uz augšu un pēc kāda laika to noķert tajā pašā vietā neatkarīgi no tā, vai kravas automašīna pārvietojas vienmērīgi un taisnā līnijā vai atrodas miera stāvoklī. Viņam bumba lido taisnā līnijā. Tomēr ārējam novērotājam uz zemes bumbas trajektorija izskatās kā parabola. Tas ir saistīts ar faktu, ka bumba lidojuma laikā pārvietojas attiecībā pret zemi ne tikai vertikāli, bet arī horizontāli ar inerci kravas automašīnas kustības virzienā. Personai, kas atrodas kravas automašīnas aizmugurē, nav nozīmes tam, vai kravas automašīna pārvietojas pa ceļu, vai apkārtējā pasaule pārvietojas ar nemainīgu ātrumu pretējā virzienā, un kravas automašīna stāv uz vietas. Tādējādi miera stāvoklis un vienmērīga taisnvirziena kustība fiziski neatšķiras viens no otra.

Ņūtona otrais likums

Pēc impulsa definīcijas:

kur ir masa, ir ātrums.

Ja materiāla punkta masa paliek nemainīga, tad masas laika atvasinājums ir nulle, un vienādojums iegūst šādu formu:

Ņūtona trešais likums

Jebkuriem diviem ķermeņiem (sauksim tos par ķermeni 1 un ķermeni 2) Ņūtona trešais likums nosaka, ka ķermeņa 1 iedarbības spēku uz ķermeni 2 pavada tāda spēka parādīšanās, kas ir vienāds pēc lieluma, bet pretējā virzienā un iedarbojas uz ķermeni. 1 no ķermeņa 2. Matemātiski likums ir uzrakstīts šādi:

Šis likums nozīmē, ka spēki vienmēr notiek darbības un reakcijas pāros. Ja ķermenis 1 un ķermenis 2 atrodas vienā sistēmā, tad kopējais spēks sistēmā šo ķermeņu mijiedarbības dēļ ir nulle:

Tas nozīmē, ka slēgtā sistēmā nav nelīdzsvarotu iekšējo spēku. Tas noved pie tā, ka slēgtas sistēmas (tas ir, tādas, uz kuru neiedarbojas ārējie spēki) masas centrs nevar pārvietoties ar paātrinājumu. Atsevišķas sistēmas daļas var paātrināties, bet tikai tādā veidā, ka sistēma kopumā paliek miera stāvoklī vai vienmērīgā lineārā kustībā. Tomēr, ja uz sistēmu iedarbojas ārēji spēki, tās masas centrs sāks kustēties ar paātrinājumu, kas ir proporcionāls ārējam rezultējošajam spēkam un apgriezti proporcionāls sistēmas masai.

Fundamentālās mijiedarbības

Visi dabas spēki balstās uz četru veidu fundamentālām mijiedarbībām. Visu veidu mijiedarbības maksimālais izplatīšanās ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu vakuumā. Elektromagnētiskie spēki darbojas starp elektriski lādētiem ķermeņiem, gravitācijas spēki darbojas starp masīviem objektiem. Spēcīgi un vāji parādās tikai ļoti nelielos attālumos, tie ir atbildīgi par mijiedarbības rašanos starp subatomiskām daļiņām, tostarp nukleoniem, no kuriem sastāv atomu kodoli.

Spēcīgas un vājas mijiedarbības intensitāte tiek mērīta enerģijas vienības(elektronvolti), nevis spēka vienības, un tāpēc jēdziena “spēks” piemērošanu tiem skaidro no senatnes pārņemtā tradīcija jebkuras apkārtējās pasaules parādības izskaidrot ar katrai parādībai raksturīgo “spēku” darbību.

Spēka jēdzienu nevar attiecināt uz subatomiskās pasaules parādībām. Šis ir jēdziens no klasiskās fizikas arsenāla, kas saistīts (pat ja tikai zemapziņā) ar Ņūtona idejām par spēkiem, kas darbojas no attāluma. Subatomiskajā fizikā šādi spēki vairs nepastāv: tos aizstāj mijiedarbība starp daļiņām, kas notiek caur laukiem, tas ir, dažām citām daļiņām. Tāpēc augstas enerģijas fiziķi izvairās lietot šo vārdu spēku, aizstājot to ar vārdu mijiedarbība.

Katrs mijiedarbības veids ir saistīts ar atbilstošo mijiedarbības nesēju apmaiņu: gravitācijas - gravitonu apmaiņa (eksperimentāli nav apstiprināta), elektromagnētiskie - virtuālie fotoni, vājie - vektorbozoni, spēcīgie - gluoni (un lielos attālumos - mezoni) . Pašlaik elektromagnētiskie un vājie spēki ir apvienoti fundamentālākā elektrovājā spēkā. Tiek mēģināts apvienot visas četras fundamentālās mijiedarbības vienā (tā sauktā lielā vienotā teorija).

Visu spēku daudzveidību, kas izpaužas dabā, principā var reducēt līdz šīm četrām fundamentālajām mijiedarbībām. Piemēram, berze ir elektromagnētisko spēku izpausme, kas darbojas starp divu saskarē esošo virsmu atomiem, un Pauli izslēgšanas princips, kas neļauj atomiem iekļūt vienam otra zonā. Spēks, ko rada atsperes deformācija, ko raksturo Huka likums, ir arī elektromagnētisko spēku rezultāts starp daļiņām un Pauli izslēgšanas principu, liekot vielas kristāliskā režģa atomiem atrasties līdzsvara stāvokļa tuvumā. .

Taču praksē tik detalizēta jautājuma par spēku rīcības izskatīšana izrādās ne tikai nepiemērota, bet arī vienkārši neiespējama problēmas apstākļos.

Gravitācija

Gravitācija ( smagums) - universāla mijiedarbība starp jebkura veida matērijām. Klasiskās mehānikas ietvaros to raksturo universālās gravitācijas likums, ko savā darbā “Dabas filozofijas matemātiskie principi” formulējis Īzaks Ņūtons. Ņūtons ieguva paātrinājuma lielumu, ar kādu Mēness pārvietojas ap Zemi, aprēķinos pieņemot, ka gravitācijas spēks samazinās apgriezti proporcionāli attāluma kvadrātam no gravitējošā ķermeņa. Turklāt viņš arī konstatēja, ka paātrinājums, ko izraisa viena ķermeņa piesaiste citam, ir proporcionāls šo ķermeņu masu reizinājumam. Pamatojoties uz šiem diviem secinājumiem, tika formulēts gravitācijas likums: jebkuras materiāla daļiņas tiek pievilktas viena pret otru ar spēku, kas ir tieši proporcionāls masu reizinājumam ( un ) un apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam starp tām:

Šeit ir gravitācijas konstante, kuras vērtību savos eksperimentos pirmais ieguva Henrijs Kavendišs. Izmantojot šo likumu, jūs varat iegūt formulas patvaļīgas formas ķermeņu gravitācijas spēka aprēķināšanai. Ņūtona gravitācijas teorija labi apraksta Saules sistēmas planētu un daudzu citu debess ķermeņu kustību. Tomēr tā pamatā ir liela attāluma darbības jēdziens, kas ir pretrunā ar relativitātes teoriju. Tāpēc klasiskā gravitācijas teorija nav piemērojama, lai aprakstītu ķermeņu kustību, kas pārvietojas ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam, īpaši masīvu objektu (piemēram, melno caurumu) gravitācijas laukus, kā arī mainīgos gravitācijas laukus, ko rada kustīgi ķermeņi lielos attālumos no tiem.

Elektromagnētiskā mijiedarbība

Elektrostatiskais lauks (stacionāro lādiņu lauks)

Fizikas attīstība pēc Ņūtona trīs galvenajiem lielumiem (garums, masa, laiks) pievienoja elektrisko lādiņu ar izmēru C. Tomēr, balstoties uz praktiskām prasībām, kas balstītas uz mērīšanas ērtību, lādiņa vietā bieži tika izmantota elektriskā strāva ar izmēru I. , un es = CT − 1 . Uzlādes daudzuma mērvienība ir kulons, bet strāvas mērvienība ir ampērs.

Tā kā lādiņš kā tāds neeksistē neatkarīgi no ķermeņa, kas to nes, tad ķermeņu elektriskā mijiedarbība izpaužas tāda paša spēka veidā, ko uzskata mehānikā, kas kalpo par paātrinājuma cēloni. Attiecībā uz divu “punktveida lādiņu” elektrostatisko mijiedarbību vakuumā tiek izmantots Kulona likums:

kur ir attālums starp lādiņiem un ε 0 ≈ 8,854187817·10 −12 F/m. Homogēnā (izotropā) vielā šajā sistēmā mijiedarbības spēks samazinās ε reizes, kur ε ir vides dielektriskā konstante.

Spēka virziens sakrīt ar līniju, kas savieno punktveida lādiņus. Grafiski elektrostatisko lauku parasti attēlo kā spēka līniju attēlu, kas ir iedomātas trajektorijas, pa kurām pārvietotos lādēta daļiņa bez masas. Šīs līnijas sākas ar vienu uzlādi un beidzas ar citu.

Elektromagnētiskais lauks (līdzstrāvas lauks)

Magnētiskā lauka esamību jau viduslaikos atpazina ķīnieši, kuri kā magnētiskā kompasa prototipu izmantoja “mīlošo akmeni” - magnētu. Grafiski magnētiskais lauks parasti tiek attēlots slēgtu spēka līniju veidā, kuru blīvums (tāpat kā elektrostatiskā lauka gadījumā) nosaka tā intensitāti. Vēsturiski vizuāls veids, kā vizualizēt magnētisko lauku, bija ar dzelzs skaidām, kas tika uzkaisītas, piemēram, uz papīra lapas, kas novietota uz magnēta.

Atvasinātie spēku veidi

Elastīgais spēks- spēks, kas rodas ķermeņa deformācijas laikā un neitralizē šo deformāciju. Elastīgo deformāciju gadījumā tas ir potenciāls. Elastīgajam spēkam ir elektromagnētisks raksturs, kas ir makroskopiska starpmolekulārās mijiedarbības izpausme. Elastīgais spēks ir vērsts pretēji pārvietojumam, perpendikulāri virsmai. Spēka vektors ir pretējs molekulārās nobīdes virzienam.

Berzes spēks- spēks, kas rodas cieto ķermeņu relatīvās kustības laikā un neitralizē šo kustību. Attiecas uz izkliedējošiem spēkiem. Berzes spēkam ir elektromagnētisks raksturs, kas ir makroskopiska starpmolekulārās mijiedarbības izpausme. Berzes spēka vektors ir vērsts pretēji ātruma vektoram.

Vidēja pretestības spēks- spēks, kas rodas, cietam ķermenim pārvietojoties šķidrā vai gāzveida vidē. Attiecas uz izkliedējošiem spēkiem. Pretestības spēkam ir elektromagnētisks raksturs, kas ir makroskopiska starpmolekulārās mijiedarbības izpausme. Vilces spēka vektors ir vērsts pretēji ātruma vektoram.

Normāls zemes reakcijas spēks- elastīgais spēks, kas iedarbojas no atbalsta uz ķermeni. Virzīts perpendikulāri atbalsta virsmai.

Virsmas spraiguma spēki- spēki, kas rodas uz fāzes saskarnes virsmas. Tam ir elektromagnētisks raksturs, kas ir makroskopiska starpmolekulārās mijiedarbības izpausme. Stiepes spēks ir vērsts tangenciāli uz saskarni; rodas molekulu, kas atrodas uz fāzes robežas, nekompensētas pievilkšanās rezultātā ar molekulām, kas neatrodas pie fāzes robežas.

Osmotiskais spiediens

Van der Vālsa spēki- elektromagnētiskie starpmolekulārie spēki, kas rodas molekulu polarizācijas un dipolu veidošanās laikā. Van der Waals spēki strauji samazinās, palielinoties attālumam.

Inerces spēks- fiktīvs spēks, kas ieviests neinerciālās atskaites sistēmās, lai tajās tiktu izpildīts Ņūtona otrais likums. Jo īpaši atskaites sistēmā, kas saistīta ar vienmērīgi paātrinātu ķermeni, inerces spēks ir vērsts pretēji paātrinājumam. Ērtības labad centrbēdzes spēku un Koriolisa spēku var atdalīt no kopējā inerces spēka.

Rezultāts

Aprēķinot ķermeņa paātrinājumu, visi spēki, kas uz to iedarbojas, tiek aizstāti ar vienu spēku, ko sauc par rezultatīvo. Tā ir visu spēku ģeometriskā summa, kas iedarbojas uz ķermeni. Turklāt katra spēka darbība nav atkarīga no citu spēku darbības, tas ir, katrs spēks piešķir ķermenim tādu pašu paātrinājumu, kādu tas radītu, ja nebūtu citu spēku darbības. Šo apgalvojumu sauc par spēku darbības neatkarības principu (superpozīcijas principu).

Skatīt arī

Avoti

• Grigorjevs V.I., Mjakiševs G.Ja. - “Spēki dabā”
• Landau, L.D., Lifšits, E.M. Mehānika - 5. izdevums, stereotipisks. - M.: Fizmatlit, 2004. - 224 lpp. - (“Teorētiskā fizika”, I sējums). - .

Piezīmes

1. Glosārijs. Zemes observatorija. NASA. - "Spēks ir jebkurš ārējs faktors, kas izraisa izmaiņas brīvā ķermeņa kustībā vai iekšējo spriegumu rašanos fiksētā ķermenī."(Angļu)
2. Bronšteins I. N. Semendjajevs K. A. Matemātikas rokasgrāmata. M.: Izdevniecība "Zinātne" Fizikālās un matemātiskās uzziņu literatūras redakcija.1964.

Dabā ir četru veidu spēki: gravitācijas, elektromagnētiskie, kodolspēki un vājie.

Gravitācijas spēki vai gravitācija, darboties starp visiem ķermeņiem. Taču šie spēki ir pamanāmi, ja vismaz vienam no ķermeņiem izmēri ir salīdzināmi ar planētu izmēriem. Pievilkšanās spēki starp parastajiem ķermeņiem ir tik mazi, ka tos var atstāt novārtā. Tāpēc mijiedarbības spēkus starp planētām, kā arī starp planētām un Sauli vai citiem ķermeņiem, kuriem ir ļoti liela masa, var uzskatīt par gravitācijas spēku. Tās var būt zvaigznes, planētu pavadoņi utt.

Elektromagnētiskie spēki darbojas starp ķermeņiem ar elektrisko lādiņu.

Kodolspēki(stipri) ir visspēcīgākie dabā. Tie darbojas atomu kodolos 10–13 cm attālumā.

Vāji spēki, tāpat kā kodolieroči, darbojas nelielos attālumos apmēram 10 -15 cm To darbības rezultātā notiek procesi kodola iekšienē.

Mehānika ņem vērā gravitācijas spēkus, elastības spēkus un berzes spēkus.

Gravitācijas spēki

Ir aprakstīta gravitācija universālās gravitācijas likums. Šis likums bija vidū iezīmēja Ņūtons XVII V. darbā “Dabasfilozofijas matemātiskie principi”.

Pēc gravitācijassauc par gravitācijas spēku, ar kuru jebkura materiāla daļiņas piesaista viena otru.

Spēks, ar kādu materiāla daļiņas pievelk viena otru, ir tieši proporcionāls to masas reizinājumam un apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam starp tām. .

G – gravitācijas konstante, kas skaitliski vienāda ar gravitācijas spēka moduli, ar kādu ķermenis ar masas vienību iedarbojas uz ķermeni, kuram ir vienāda masas vienība un kas atrodas vienības attālumā no tā.

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

Uz Zemes virsmas gravitācijas spēks (gravitācijas spēks) izpaužas kā smagums.

Mēs redzam, ka jebkurš horizontālā virzienā izmests objekts joprojām nokrīt. Jebkurš uzmests priekšmets arī nokrīt. Tas notiek gravitācijas ietekmē, kas iedarbojas uz jebkurš materiāls ķermenis, kas atrodas netālu no Zemes virsmas. Smaguma spēks iedarbojas uz ķermeņiem un citu astronomisku ķermeņu virsmām. Šis spēks vienmēr ir vērsts vertikāli uz leju.

Gravitācijas ietekmē ķermenis virzās uz planētas virsmu ar paātrinājumu, ko sauc brīvā kritiena paātrinājums.

Smaguma paātrinājumu uz Zemes virsmas apzīmē ar burtu g .

Ft = mg ,

tātad,

g = Ft / m

g = 9,81 m/s 2 pie Zemes poliem un pie ekvatora g = 9,78 m/s2.

Risinot vienkāršas fiziskas problēmas, vērtība g tiek uzskatīts par vienādu ar 9,8 m/s 2.

Klasiskā gravitācijas teorija ir piemērojama tikai ķermeņiem, kuru ātrums ir daudz mazāks par gaismas ātrumu.

Elastīgie spēki

Elastīgie spēki sauc par spēkiem, kas rodas ķermenī deformācijas rezultātā, izraisot tā formas vai tilpuma izmaiņas. Šie spēki vienmēr cenšas atgriezt ķermeni tā sākotnējā stāvoklī.

Deformācijas laikā ķermeņa daļiņas tiek pārvietotas. Elastīgais spēks ir vērsts virzienā, kas ir pretējs daļiņu pārvietošanās virzienam. Ja deformācija apstājas, elastības spēks pazūd.

Angļu fiziķis Roberts Huks, Ņūtona laikabiedrs, atklāja likumu, kas nosaka saikni starp elastības spēku un ķermeņa deformāciju.

Kad ķermenis tiek deformēts, rodas elastīgs spēks, kas ir tieši proporcionāls ķermeņa pagarinājumam un kura virziens ir pretējs daļiņu kustībai deformācijas laikā.

F = k ∆ l ,

Kur Uz – korpusa stingrība jeb elastības koeficients;

∆ l – deformācijas apjoms, kas parāda ķermeņa pagarinājuma apjomu elastīgo spēku ietekmē.

Huka likums attiecas uz elastīgajām deformācijām, kad ķermeņa pagarinājums ir neliels, un ķermenis atjauno sākotnējos izmērus pēc tam, kad izzūd spēki, kas izraisīja šo deformāciju.

Ja deformācija ir liela un ķermenis neatgriežas sākotnējā formā, Huka likums nav spēkā. PlkstĻoti lielas deformācijas izraisa ķermeņa iznīcināšanu.

Berzes spēki

Berze rodas, kad viens ķermenis pārvietojas pa otra virsmu. Tam ir elektromagnētisks raksturs. Tās ir saskarē esošo ķermeņu atomu un molekulu mijiedarbības sekas. Berzes spēka virziens ir pretējs kustības virzienam.

Atšķirt sauss Un šķidrums berze. Berzi sauc par sausu, ja starp ķermeņiem nav šķidruma vai gāzveida slāņa.

Sausās berzes atšķirīga iezīme ir statiskā berze, kas rodas, kad ķermeņi atrodas relatīvā miera stāvoklī.

Lielums statiskie berzes spēki vienmēr vienāds ar ārējā spēka lielumu un vērsts pretējā virzienā. Statiskais berzes spēks neļauj ķermenim kustēties.

Savukārt sausā berze tiek sadalīta berzē paslīdēt un berze ripo.

Ja ārējā spēka lielums pārsniedz berzes spēka lielumu, tad notiks slīdēšana, un viens no saskarē esošajiem ķermeņiem sāks virzīties uz priekšu attiecībā pret otru ķermeni. Un tiks saukts berzes spēks slīdošais berzes spēks. Tās virziens būs pretējs slīdēšanas virzienam.

Slīdošās berzes spēks ir atkarīgs no spēka, ar kādu ķermeņi spiež viens otru, no berzes virsmu stāvokļa, no kustības ātruma, bet nav atkarīgs no saskares laukuma.

Viena ķermeņa slīdēšanas berzes spēku uz cita ķermeņa virsmu aprēķina pēc formulas:

F tr. = k N ,

Kur k – slīdēšanas berzes koeficients;

N ir normāls reakcijas spēks, kas iedarbojas uz ķermeni no virsmas sāniem.

Ritošā berzes spēks notiek starp ķermeni, kas ripo pa virsmu, un pašu virsmu. Šādi spēki parādās, piemēram, automašīnu riepām saskaroties ar ceļa virsmu.

Ritošā berzes spēka lielumu aprēķina pēc formulas

Kur Ft – rites berzes spēks;

f – rites berzes koeficients;

R – ripojošā korpusa rādiuss;

N - nospiešanas spēks.

Ņūtona likumi

Ņūtona pirmais likums

Ir tādas atskaites sistēmas, kuras sauc par inerciālām, attiecībā pret kurām ķermeņi saglabā savu ātrumu nemainīgu, ja uz tiem neiedarbojas citi ķermeņi vai tiek kompensēta citu spēku darbība.

Ņūtona II likums

Ķermeņa paātrinājums ir tieši proporcionāls rezultētajiem spēkiem, kas tiek pielietoti ķermenim, un apgriezti proporcionāls tā masai:

Ņūtona III likums

Spēki, ar kuriem divi ķermeņi iedarbojas viens uz otru, ir vienādi pēc lieluma un pretēji virzienam.

Spēku veidi

Elastīgais spēks To sauc par spēku, kas rodas ķermenī, mainoties tā formai vai izmēram. Tas notiek, kad ķermenis ir saspiests, izstiepts, saliekts vai savīts. Piemēram, atsperē tās saspiešanas rezultātā radās elastīgs spēks un iedarbojas uz ķieģeli.
Elastīgais spēks vienmēr ir vērsts pretēji spēkam, kas izraisīja ķermeņa formas vai izmēra izmaiņas. Mūsu piemērā krītošais ķieģelis saspieda atsperi, tas ir, tas iedarbojās uz to ar spēku, kas vērsts uz leju. Tā rezultātā pavasarī radās elastīgs spēks, kas vērsts pretējā virzienā, tas ir, uz augšu. To varam apstiprināt, novērojot ķieģeļa atsitienu.

Huka likums: elastīgais spēks, kas rodas deformētā ķermenī, ir tieši proporcionāls deformācijas vektoram un ir pretējs tam virzienā.
kur k ir elastības koeficients, L ir elastīgās deformācijas vērtība.

Ar gravitācijas spēku sauc spēku, ar kādu visi pasaules ķermeņi tiek piesaistīti viens otram (sk. § 2-a). Gravitācijas spēka veids ir gravitācija - spēks, ar kādu ķermenis, kas atrodas netālu no planētas, tiek piesaistīts tai. Piemēram, uz Marsa stāvošu raķeti ietekmē arī gravitācija.

Gravitācija vienmēr vērsta uz planētas centru. Attēlā redzams, ka Zeme pievelk zēnu un bumbu ar spēkiem, kas vērsti uz leju, tas ir, uz planētas centru. Kā redzat, lejupejošais virziens dažādās planētas vietās ir atšķirīgs. Tas attieksies uz citām planētām un kosmiskajiem ķermeņiem. Sīkāk mēs pētīsim gravitāciju § 3d.

Berzes spēks sauc par spēku, kas neļauj vienam ķermenim slīdēt pāri cita virsmai. Apskatīsim zīmējumu. Automašīnas asu bremzēšanu vienmēr pavada “bremzēšanas čīkstēšana”. Šī skaņa rodas riepu slīdēšanas dēļ uz asfalta. Šajā gadījumā riepas ļoti nolietojas, jo starp riteņiem un ceļu iedarbojas berzes spēks, kas novērš slīdēšanu.
Berzes spēks vienmēr ir vērsts pretēji attiecīgā ķermeņa (iespējamās) slīdēšanas virzienam pa cita virsmu. Piemēram, automašīnai strauji bremzējot, tās riteņi izslīd uz priekšu, kas nozīmē, ka berzes spēks, kas uz tiem iedarbojas uz ceļu, tiek virzīts pretējā virzienā, tas ir, atpakaļ.
Berzes spēks rodas ne tikai tad, kad viens ķermenis slīd pāri cita virsmai. Ir arī statisks berzes spēks. Piemēram, stumjoties no ceļa ar kurpi, mēs neievērojam, ka tā slīd. Šajā gadījumā rodas statisks berzes spēks, pateicoties kuram mēs virzāmies uz priekšu. Bez šī spēka mēs nevarētu spert nevienu soli, kā, piemēram, uz ledus.

Ar Arhimēda spēku(vai peldošais spēks) ir spēks, ar kādu šķidrums vai gāze iedarbojas uz tajā iegremdētu ķermeni – izspiež to. Attēlā redzams, ka ūdens iedarbojas uz zivju izelpotajiem gaisa burbuļiem – izspiež tos virspusē. Ūdens ietekmē arī zivis un akmeņus – tas samazina to svaru (spēku, ar kādu akmeņi spiež uz dibena).

Pretestības spēks. Spēku, kas iedarbojas uz ķermeni tā translācijas kustības laikā šķidrumā vai gāzē, sauc par pretestības spēku.
Pretestības spēks ir atkarīgs no ķermeņa ātruma attiecībā pret ārējo vidi un ir vērsts pretēji ķermeņa ātruma vektoram.
kur k ir proporcionalitātes koeficients atkarībā no ķermeņa ātruma attiecībā pret vidi, V ir ķermeņa ātruma modulis attiecībā pret vidi.

Gravitācijas pievilkšanās spēks.
Gravitācijas mijiedarbība starp ķermeņiem tiek veikta caur gravitācijas lauku.
Gravitācijas spēki ir vērsti pa vienu taisnu līniju, kas savieno mijiedarbības punktus, t.i. ir centrālie spēki.

Universālās gravitācijas likums:
Starp diviem materiāliem punktiem ir savstarpējas pievilkšanās spēki, kas ir proporcionāli punktu masu reizinājumam, apgriezti proporcionāli attāluma kvadrātam starp tiem.
kur G = 6,67 · 10^-11 (N m^2) / kg^2 ir gravitācijas konstante, m1, m2 ir materiālo punktu gravitācijas masas, R ir attālums starp materiālajiem punktiem.
Universālās gravitācijas likums ir spēkā arī viendabīgiem sfēriskiem ķermeņiem. Šajā gadījumā R ir attālums starp ķermeņu smaguma centriem.

Visi procesi mums apkārt notiek viena vai otra fiziska spēka darbības rezultātā. Cilvēks ar savu izpausmi sastopas visur, sākot ar to, ka viņam ir jāpieliek spēks, lai no rīta pieceltos no gultas, un beidzot ar masīvu kosmosa objektu kustībām. Šis raksts ir veltīts jautājumiem par to, kāds spēks ir fizikā un kādi tā veidi pastāv.

Spēka jēdziens

Sāksim apsvērt jautājumu par to, kāds spēks ir fizikā, ar tā definīciju. To saprot kā lielumu, kas spēj mainīt attiecīgā ķermeņa kustības apjomu. Šīs definīcijas matemātiskā izteiksme ir šāda:

Šeit dp¯ ir impulsa izmaiņas (citādi to sauc par impulsu), dt ir laika periods, kurā tas mainās. Tas parāda, ka F¯ (spēks) ir vektors, tas ir, lai to noteiktu, ir jāzina gan modulis (absolūtā vērtība), gan tā pielietošanas virziens.

Kā zināms, impulsu mēra kg*m/s. Tas nozīmē, ka F¯ aprēķina kg*m/s2. Šo mērvienību SI sauc par ņūtonu (N). Tā kā mērvienība m/s 2 ir lineārā paātrinājuma mērs klasiskajā mehānikā, Īzaka Ņūtona 2. likums automātiski izriet no spēka definīcijas:

Šajā formulā a¯ = dv¯/dt ir paātrinājums.

Šī spēka formula fizikā parāda, ka Ņūtona mehānikā lielumu F¯ raksturo paātrinājums, ko tas var radīt ķermenim ar masu m.

Spēku veidu klasifikācija

Spēka tēma fizikā ir diezgan plaša, un, detalizēti aplūkojot, tā ietekmē pamatjēdzienus par matērijas struktūru un procesiem, kas notiek Visumā. Šajā rakstā mēs neapskatīsim relatīvistiskā spēka (procesi, kas notiek gandrīz gaismas ātrumā) un spēka jēdzienu kvantu mehānikā, bet aprobežosimies tikai ar tā aprakstu makroskopiskiem objektiem, kuru kustību nosaka klasiskās dabas likumi. mehānika.

Tātad, pamatojoties uz ikdienas novērojumiem ikdienas dzīvē un dabā, var izdalīt šādus spēka veidus:

• gravitācija (gravitācija);
• atbalsta ietekme;
• berze;
• spriedze;
• elastība;
• atsitiens.

Paplašinot jautājumu par to, kāds spēks ir fizikā, aplūkosim katru no nosauktajiem veidiem sīkāk.

Ņūtona universālā gravitācija

Fizikā gravitācijas spēks izpaužas divu objektu pievilkšanā ar ierobežotu masu. Gravitācija ir diezgan vāja, ja salīdzina ar elektriskajiem vai kodolspēkiem. Tas izpaužas kosmiskā mērogā (planētu, zvaigžņu, galaktiku kustība).

17. gadsimtā Īzaks Ņūtons, pētot planētu kustību ap Sauli, nonāca pie likuma formulējuma, ko sauc par universālo gravitāciju. Fizikā gravitācijas spēka formulu raksta šādi:

Eksperimentālo G vērtības noteikšanu tikai 18. gadsimta beigās veica Henrijs Kavendišs, kurš savā eksperimentā izmantoja vērpes līdzsvaru. Šis eksperiments ļāva noteikt mūsu planētas masu.

Iepriekš minētajā formulā, ja viens no ķermeņiem ir mūsu Zeme, gravitācijas spēks jebkuram objektam, kas atrodas netālu no zemes virsmas, būs vienāds ar:

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

kur g = G*M/R2

Šeit M ir planētas masa, R ir tās rādiuss (attālums starp ķermeni un Zemes centru ir aptuveni vienāds ar pēdējās rādiusu). Pēdējā izteiksme ir daudzuma, ko parasti sauc par ķermeņa svaru, matemātisks attēlojums, tas ir:

Izteiksme parāda, ka fizikā gravitācijas spēks ir līdzvērtīgs ķermeņa svaram. Vērtību P mēra, zinot atbalsta, uz kura atrodas dotais ķermenis, reakcijas spēku.

Atbalsta virsmas reakcija

Kāpēc cilvēki, mājas un citi objekti nenokrīt pazemē? Kāpēc uz galda nolikta grāmata nekrīt? Šos un citus līdzīgus faktus izskaidro atbalsta reakcijas spēka esamība, ko bieži apzīmē ar burtu N. Jau pēc nosaukuma ir skaidrs, ka tas ir raksturīgs triecienam uz tās virsmas ķermeni, uz kuras tas atrodas. atrodas.

Pamatojoties uz atzīmēto līdzsvara faktu, mēs varam uzrakstīt izteiksmi:

(horizontālam ķermeņa stāvoklim)

Tas ir, atbalsta spēks ir vienāds ar ķermeņa svaru, ja tas atrodas uz horizontālas virsmas, un pretējā virzienā. Ja ķermenis atrodas slīpā plaknē, tad N aprēķina, izmantojot trigonometrisko funkciju (sin(x) vai cos(x)), jo P vienmēr ir vērsts uz Zemes centru (uz leju), bet N ir vērsts perpendikulāri. uz virsmas plakni (uz augšu).

Izpratne par spēka N rašanās iemeslu pārsniedz klasisko mehāniku. Īsumā, pieņemsim, ka tās ir tiešas tā sauktā Pauli izslēgšanas principa sekas. Saskaņā ar to divi elektroni nevar atrasties vienā stāvoklī. Šis fakts noved pie tā, ka, tuvinot divus atomus, tad, neskatoties uz to 99% tukšumu, elektronu apvalki nespēs iekļūt viens otrā, un starp tiem parādās spēcīga atgrūšanās.

Berzes spēks

Fizikā šāda veida spēka darbība ir ne retāk sastopama kā iepriekš aplūkotā. Berze rodas ikreiz, kad objekts sāk kustēties. Kopumā fizikā berzes spēku parasti klasificē kā vienu no 3 veidiem:

• miers;
• paslīdēt;
• ripo.

Pirmos divus veidus apraksta ar šādu izteiksmi:

Šeit μ ir berzes koeficients, kura vērtība ir atkarīga gan no spēka veida (atpūtas vai berzes), gan no berzes virsmu materiāliem.

Rites berzi, kuras galvenais piemērs ir kustīgs ritenis, aprēķina pēc formulas:

Šeit R ir riteņa rādiuss, f ir koeficients, kas no μ atšķiras ne tikai pēc vērtības, bet arī pēc dimensijas (μ ir bezizmēra, f mēra garuma vienībās).

Jebkāda veida berzes spēks vienmēr ir vērsts pret kustību, ir tieši proporcionāls spēkam N un nav atkarīgs no virsmu saskares laukuma.

Berzes parādīšanās iemesls starp divām virsmām ir mikroneviendabīgumu klātbūtne uz tām, kas noved pie to “saķeršanās” kā mazi āķi. Šis vienkāršais skaidrojums ir diezgan labs faktiskā procesa tuvinājums, kas ir daudz sarežģītāks un, lai pilnībā izprastu mijiedarbību atomu mērogā.

Dotās formulas attiecas uz cieto vielu berzi. Šķidrumu vielu (šķidrumu un gāzu) gadījumā ir arī berze, tikai tā izrādās proporcionāla objekta ātrumam (ātrām kustībām ātruma kvadrāts).

Spriegojuma spēks

Kas ir spēks fizikā, apsverot kravu kustību, izmantojot virves, troses un troses? To sauc par spriedzes spēku. Parasti to apzīmē ar burtu T (skat. attēlu augstāk).

Apsverot fizikas problēmas, kas saistītas ar spriedzes spēku, tās bieži ietver tik vienkāršu mehānismu kā bloks. Tas ļauj novirzīt iedarbīgo spēku T. Īpašas bloku konstrukcijas nodrošina spēka paaugstināšanu, kas tiek pielietota, lai paceltu slodzi.

Elastības fenomens

Ja cietas vielas deformācijas ir nelielas (līdz 1%), tad pēc ārējā spēka pielikšanas tās pilnībā izzūd. Šī procesa laikā deformācija darbojas, radot tā saukto elastīgo spēku. Atsperei šo daudzumu apraksta Huka likums. Atbilstošā formula ir:

Šeit x ir atsperes nobīdes apjoms no tās līdzsvara stāvokļa (absolūtā deformācija), k ir koeficients. Mīnusa zīme izteiksmē parāda, ka elastīgais spēks ir vērsts pret jebkuru deformāciju (spriegojumu un saspiešanu), tas ir, tas tiecas atjaunot līdzsvara stāvokli.

Elastības un spriedzes spēku parādīšanās fiziskais iemesls ir vienāds, tas ir pievilkšanās vai atgrūšanās starp vielas atomiem, kad mainās līdzsvara attālums starp tiem.

Ikviens zina, ka, šaujot no jebkura šaujamieroča, notiek tā sauktais atsitiens. Tas izpaužas faktā, ka pistoles dibens ietriecas šāvēja plecā, un tanks vai lielgabals ripo atpakaļ, kad šāviņš izlido no purna. Tās visas ir dāvināšanas spēka izpausmes. Formula ir līdzīga tai, kas dota raksta sākumā, definējot jēdzienu “spēks”.

Kā jūs varētu nojaust, atsitiena spēku parādīšanās iemesls ir sistēmas impulsa saglabāšanas likuma izpausme. Tādējādi no pistoles stobra izšauta lode iznes tieši tādu pašu impulsu, ar kādu muca trāpa šāvēja plecā, kā rezultātā kopējais kustības apjoms paliek nemainīgs (vienāds ar nulli salīdzinoši stacionārai sistēmai).

Ir vairāki likumi, kas raksturo fiziskos procesus ķermeņu mehānisko kustību laikā.

Izšķir šādus spēku pamatlikumus fizikā:

• gravitācijas likums;
• universālās gravitācijas likums;
• berzes spēka likumi;
• elastības spēka likums;
• Ņūtona likumi.

Gravitācijas likums

1. piezīme

Gravitācija ir viena no gravitācijas spēku darbības izpausmēm.

Gravitācija tiek attēlota kā spēks, kas iedarbojas uz ķermeni no planētas puses un piešķir tam paātrinājumu gravitācijas dēļ.

Brīvo kritienu var aplūkot formā $mg = G\frac(mM)(r^2)$, no kuras iegūstam brīvā kritiena paātrinājuma formulu:

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

Smaguma noteikšanas formula izskatīsies šādi:

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

Gravitācijai ir noteikts sadalījuma vektors. Tas vienmēr ir vērsts vertikāli uz leju, tas ir, uz planētas centru. Ķermenis pastāvīgi ir pakļauts gravitācijai, un tas nozīmē, ka tas atrodas brīvā kritienā.

Kustības trajektorija gravitācijas ietekmē ir atkarīga no:

• objekta sākuma ātruma modulis;
• ķermeņa ātruma virziens.

Cilvēks katru dienu saskaras ar šo fizisko parādību.

Gravitāciju var attēlot arī kā formulu $P = mg$. Paātrinot gravitācijas dēļ, tiek ņemti vērā arī papildu daudzumi.

Ja ņemam vērā universālās gravitācijas likumu, kuru formulēja Īzaks Ņūtons, visiem ķermeņiem ir noteikta masa. Viņi tiek piesaistīti viens otram ar spēku. To sauks par gravitācijas spēku.

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

Šis spēks ir tieši proporcionāls divu ķermeņu masu reizinājumam un apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam starp tiem.

$G = 6.7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, kur $G$ ir gravitācijas konstante un tai ir saskaņā ar starptautisko sistēmu SI mērījumu nemainīgā vērtība.

1. definīcija

Svars ir spēks, ar kādu ķermenis iedarbojas uz planētas virsmu pēc gravitācijas.

Gadījumos, kad ķermenis atrodas miera stāvoklī vai vienmērīgi pārvietojas pa horizontālu virsmu, tad svars būs vienāds ar atbalsta reakcijas spēku un pēc vērtības sakritīs ar gravitācijas spēka lielumu:

Vienmērīgi paātrinātai kustībai vertikāli, svars atšķirsies no gravitācijas spēka, pamatojoties uz paātrinājuma vektoru. Kad paātrinājuma vektors ir vērsts pretējā virzienā, rodas pārslodzes stāvoklis. Gadījumos, kad ķermenis un balsts pārvietojas ar paātrinājumu $a = g$, tad svars būs vienāds ar nulli. Nulles svara stāvokli sauc par bezsvara stāvokli.

Gravitācijas lauka stiprumu aprēķina šādi:

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

Lielums $F$ ir gravitācijas spēks, kas iedarbojas uz materiāla punktu ar masu $m$.

Ķermenis ir novietots noteiktā lauka punktā.

Divu materiālu punktu ar masām $m_1$ un $m_2$ gravitācijas mijiedarbības potenciālajai enerģijai jāatrodas $r$ attālumā vienam no otra.

Gravitācijas lauka potenciālu var atrast, izmantojot formulu:

$\varphi = \Pi / m$

Šeit $П$ ir materiāla punkta ar masu $m$ potenciālā enerģija. Tas ir novietots noteiktā lauka punktā.

Berzes likumi

2. piezīme

Berzes spēks rodas kustības laikā un ir vērsts pret ķermeņa slīdēšanu.

Statiskais berzes spēks būs proporcionāls normālai reakcijai. Statiskais berzes spēks nav atkarīgs no berzes virsmu formas un izmēra. Statiskais berzes koeficients ir atkarīgs no ķermeņu materiāla, kas saskaras un rada berzes spēku. Tomēr berzes likumus nevar saukt par stabiliem un precīziem, jo ​​pētījumu rezultātos bieži tiek novērotas dažādas novirzes.

Tradicionālā berzes spēka rakstīšana ietver berzes koeficienta ($\eta$) izmantošanu, $N$ ir parastais spiediena spēks.

Izšķir arī ārējo berzi, rites berzes spēku, slīdošās berzes spēku, viskozās berzes spēku un citus berzes veidus.

Elastīgā spēka likums

Elastīgais spēks ir vienāds ar ķermeņa stingrību, kas reizināta ar deformācijas lielumu:

$F = k \cdot \Delta l$

Mūsu klasiskajā spēka formulā elastīgā spēka meklēšanai galveno vietu ieņem ķermeņa stingrības ($k$) un ķermeņa deformācijas ($\Delta l$) vērtības. Spēka mērvienība ir ņūtons (N).

Līdzīga formula var aprakstīt vienkāršāko deformācijas gadījumu. To parasti sauc par Huka likumu. Tajā teikts, ka, mēģinot deformēt ķermeni jebkurā pieejamā veidā, elastības spēkam ir tendence atgriezt objekta formu tā sākotnējā formā.

Lai saprastu un precīzi aprakstītu fizisku parādību, tiek ieviesti papildu jēdzieni. Elastības koeficients parāda atkarību no:

• materiāla īpašības;
• stieņu izmēri.

Jo īpaši tiek izdalīta atkarība no stieņa izmēriem vai šķērsgriezuma laukuma un garuma. Tad ķermeņa elastības koeficients tiek uzrakstīts šādā formā:

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

Šajā formulā lielums $E$ ir pirmā veida elastības modulis. To sauc arī par Younga moduli. Tas atspoguļo noteikta materiāla mehāniskās īpašības.

Veicot taisnu stieņu aprēķinus, Huka likums tiek uzrakstīts relatīvā formā:

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

Tiek atzīmēts, ka Huka likuma piemērošana būs efektīva tikai salīdzinoši nelielām deformācijām. Ja tiek pārsniegts proporcionalitātes robežas līmenis, tad attiecības starp deformācijām un spriegumiem kļūst nelineāras. Dažiem medijiem Huka likumu nevar piemērot pat nelielām deformācijām.