Vezi si „Portalul fizic”

Forța ca mărime vectorială este caracterizată modul , direcţieȘi „punctul” aplicației putere. Prin ultimul parametru, conceptul de forță ca vector în fizică diferă de conceptul de vector din algebra vectorială, unde vectorii egali ca mărime și direcție, indiferent de punctul de aplicare, sunt considerați același vector. În fizică, acești vectori se numesc vectori liberi În mecanică, ideea vectorilor cuplati este extrem de comună, al căror început este fixat într-un anumit punct din spațiu sau poate fi situat pe o linie care continuă direcția vectorului (vectori de alunecare). .

Se folosește și conceptul linie de forţă, indicând dreapta care trece prin punctul de aplicare a forței de-a lungul căruia este direcționată forța.

Dimensiunea forței este LMT −2, unitatea de măsură în Sistemul Internațional de Unități (SI) este newton (N, N), în sistemul CGS este dina.

Istoria conceptului

Conceptul de forță a fost folosit de oamenii de știință antici în lucrările lor despre statică și mișcare. A studiat forțele în procesul de construire a mecanismelor simple în secolul al III-lea. î.Hr e. Arhimede. Ideile lui Aristotel despre forță, care implică inconsecvențe fundamentale, au persistat timp de câteva secole. Aceste discrepanțe au fost eliminate în secolul al XVII-lea. Isaac Newton, folosind metode matematice pentru a descrie forța. Mecanica newtoniană a rămas în general acceptată timp de aproape trei sute de ani. Până la începutul secolului al XX-lea. Albert Einstein a arătat în teoria relativității că mecanica newtoniană este corectă doar la viteze relativ scăzute de mișcare și mase de corpuri din sistem, clarificând astfel principiile de bază ale cinematicii și dinamicii și descriind unele noi proprietăți ale spațiului-timp.

mecanica newtoniana

Isaac Newton și-a propus să descrie mișcarea obiectelor folosind conceptele de inerție și forță. Făcând acest lucru, el a stabilit simultan că toată mișcarea mecanică se supune legilor generale de conservare. La Newton și-a publicat celebra lucrare „”, în care a conturat cele trei legi fundamentale ale mecanicii clasice (celebrale legi ale lui Newton).

Prima lege a lui Newton

De exemplu, legile mecanicii se realizează exact în același mod în spatele unui camion atunci când circulă pe o porțiune dreaptă de drum cu o viteză constantă și când sta pe loc. O persoană poate arunca o minge vertical în sus și o poate prinde după ceva timp în același loc, indiferent dacă camionul se mișcă uniform și în linie dreaptă sau este în repaus. Pentru el, mingea zboară în linie dreaptă. Cu toate acestea, pentru un observator din exterior la sol, traiectoria mingii arată ca o parabolă. Acest lucru se datorează faptului că mingea se mișcă față de sol în timpul zborului său nu numai vertical, ci și orizontal prin inerție în direcția mișcării camionului. Pentru o persoană aflată în spatele unui camion, nu contează dacă camionul se mișcă de-a lungul drumului sau dacă lumea înconjurătoare se mișcă cu o viteză constantă în direcția opusă, iar camionul stă nemișcat. Astfel, starea de repaus și mișcarea rectilinie uniformă nu se pot distinge fizic unele de altele.

A doua lege a lui Newton

Prin definiția impulsului:

unde este masa, este viteza.

Dacă masa unui punct material rămâne neschimbată, atunci derivata în timp a masei este zero, iar ecuația ia forma:

a treia lege a lui Newton

Pentru oricare două corpuri (să le numim corp 1 și corp 2), a treia lege a lui Newton spune că forța de acțiune a corpului 1 asupra corpului 2 este însoțită de apariția unei forțe egale ca mărime, dar de direcție opusă, care acționează asupra corpului. 1 din corpul 2. Matematic legea se scrie astfel:

Această lege înseamnă că forțele apar întotdeauna în perechi acțiune-reacție. Dacă corpul 1 și corpul 2 sunt în același sistem, atunci forța totală din sistem datorită interacțiunii acestor corpuri este zero:

Aceasta înseamnă că nu există forțe interne dezechilibrate într-un sistem închis. Acest lucru duce la faptul că centrul de masă al unui sistem închis (adică unul care nu este acționat de forțele externe) nu se poate mișca cu accelerație. Părți individuale ale sistemului pot accelera, dar numai în așa fel încât sistemul în ansamblu să rămână într-o stare de repaus sau de mișcare liniară uniformă. Totuși, dacă forțele externe acționează asupra sistemului, centrul său de masă va începe să se miște cu o accelerație proporțională cu forța rezultantă externă și invers proporțională cu masa sistemului.

Interacțiuni fundamentale

Toate forțele din natură se bazează pe patru tipuri de interacțiuni fundamentale. Viteza maximă de propagare a tuturor tipurilor de interacțiune este egală cu viteza luminii în vid. Forțele electromagnetice acționează între corpuri încărcate electric, forțele gravitaționale acționează între obiecte masive. Puternice și slabe apar doar la distanțe foarte scurte, ele sunt responsabile pentru apariția interacțiunilor dintre particulele subatomice, inclusiv nucleonii, din care sunt compuse nucleele atomice.

Intensitatea interacțiunilor puternice și slabe este măsurată în unități energetice(electron volți), nu unități de forță, și de aceea aplicarea termenului de „forță” asupra acestora se explică prin tradiția preluată din antichitate de a explica orice fenomene din lumea înconjurătoare prin acțiunea „forțelor” specifice fiecărui fenomen.

Conceptul de forță nu poate fi aplicat fenomenelor din lumea subatomică. Acesta este un concept din arsenalul fizicii clasice, asociat (chiar dacă doar subconștient) ideilor newtoniene despre forțele care acționează la distanță. În fizica subatomică, astfel de forțe nu mai există: ele sunt înlocuite de interacțiuni între particule care apar prin câmpuri, adică alte particule. Prin urmare, fizicienii de înaltă energie evită să folosească cuvântul forta, înlocuindu-l cu cuvântul interacţiune.

Fiecare tip de interacțiune se datorează schimbului de purtători de interacțiune corespunzători: gravitațional - schimb de gravitoni (existența nu a fost confirmată experimental), electromagnetic - fotoni virtuali, slab - bosoni vectoriali, puternici - gluoni (și la distanțe mari - mezoni) . În prezent, forțele electromagnetice și cele slabe sunt combinate în forța electroslăbită mai fundamentală. Se încearcă combinarea tuturor celor patru interacțiuni fundamentale într-una singură (așa-numita teorie mare unificată).

Toată diversitatea forțelor care se manifestă în natură poate fi, în principiu, redusă la aceste patru interacțiuni fundamentale. De exemplu, frecarea este o manifestare a forțelor electromagnetice care acționează între atomii a două suprafețe în contact și principiul excluderii Pauli, care împiedică atomii să pătrundă unul în zona celuilalt. Forța generată de deformarea unui arc, descrisă de legea lui Hooke, este, de asemenea, rezultatul forțelor electromagnetice dintre particule și principiul de excludere Pauli, forțând atomii rețelei cristaline a unei substanțe să fie menținuți în apropierea unei poziții de echilibru. .

Cu toate acestea, în practică, se dovedește nu numai inadecvat, ci și pur și simplu imposibil în condițiile problemei, o examinare atât de detaliată a problemei acțiunii forțelor.

Gravitatie

Gravitatie ( gravitatie) - interacțiune universală între orice tip de materie. În cadrul mecanicii clasice, este descrisă de legea gravitației universale, formulată de Isaac Newton în lucrarea sa „Principii matematice ale filosofiei naturale”. Newton a obținut mărimea accelerației cu care Luna se mișcă în jurul Pământului, presupunând în calcul că forța gravitației scade invers proporțional cu pătratul distanței față de corpul gravitator. În plus, a mai stabilit că accelerația cauzată de atracția unui corp de către altul este proporțională cu produsul maselor acestor corpuri. Pe baza acestor două concluzii, s-a formulat legea gravitației: orice particule materiale sunt atrase unele de altele cu o forță direct proporțională cu produsul maselor ( și ) și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele:

Iată constanta gravitațională, a cărei valoare a fost obținută pentru prima dată în experimentele sale de Henry Cavendish. Folosind această lege, puteți obține formule pentru calcularea forței gravitaționale a corpurilor de formă arbitrară. Teoria gravitației a lui Newton descrie bine mișcarea planetelor sistemului solar și a multor alte corpuri cerești. Cu toate acestea, se bazează pe conceptul de acțiune pe distanță lungă, care contrazice teoria relativității. Prin urmare, teoria clasică a gravitației nu este aplicabilă pentru a descrie mișcarea corpurilor care se deplasează cu viteze apropiate de viteza luminii, câmpurile gravitaționale ale obiectelor extrem de masive (de exemplu, găurile negre), precum și câmpurile gravitaționale variabile create de corpuri în mișcare la distanțe mari de ele.

Interacțiune electromagnetică

Câmp electrostatic (câmp al sarcinilor staționare)

Dezvoltarea fizicii după Newton a adăugat celor trei mărimi principale (lungime, masă, timp) o sarcină electrică cu dimensiunea C. Cu toate acestea, pe baza cerințelor practice bazate pe comoditatea măsurării, curentul electric cu dimensiunea I a fost adesea folosit în locul sarcinii. , și eu = CT − 1 . Unitatea de măsură pentru cantitatea de sarcină este coulombul, iar unitatea de măsură pentru curent este amperul.

Întrucât sarcina, ca atare, nu există independent de corpul care o poartă, interacțiunea electrică a corpurilor se manifestă sub forma aceleiași forțe considerate în mecanică, care servește drept cauză a accelerației. În legătură cu interacțiunea electrostatică a două „sarcini punctiforme” în vid, se utilizează legea lui Coulomb:

unde este distanța dintre sarcini și ε 0 ≈ 8,854187817·10 −12 F/m. Într-o substanță omogenă (izotropă) din acest sistem, forța de interacțiune scade de ε ori, unde ε este constanta dielectrică a mediului.

Direcția forței coincide cu linia care leagă sarcinile punctuale. Grafic, câmpul electrostatic este de obicei descris ca o imagine a liniilor de forță, care sunt traiectorii imaginare de-a lungul cărora s-ar mișca o particulă încărcată fără masă. Aceste linii încep cu o încărcare și se termină cu alta.

Câmp electromagnetic (câmp de curent continuu)

Existența unui câmp magnetic a fost recunoscută încă din Evul Mediu de chinezi, care au folosit „piatra iubitoare” - un magnet, ca prototip de busolă magnetică. Grafic, un câmp magnetic este de obicei descris sub forma unor linii de forță închise, a căror densitate (ca și în cazul unui câmp electrostatic) determină intensitatea acestuia. Din punct de vedere istoric, o modalitate vizuală de a vizualiza un câmp magnetic a fost cu pilitura de fier presărată, de exemplu, pe o bucată de hârtie plasată pe un magnet.

Tipuri derivate de forțe

Forță elastică- o forță care apare în timpul deformării unui corp și contracarează această deformare. În cazul deformațiilor elastice, este potențial. Forța elastică este de natură electromagnetică, fiind o manifestare macroscopică a interacțiunii intermoleculare. Forța elastică este îndreptată opus deplasării, perpendicular pe suprafață. Vectorul forță este opus direcției deplasării moleculare.

Forța de frecare- o forță care ia naștere în timpul mișcării relative a corpurilor solide și contracarează această mișcare. Se referă la forțele disipative. Forța de frecare este de natură electromagnetică, fiind o manifestare macroscopică a interacțiunii intermoleculare. Vectorul forță de frecare este direcționat opus vectorului viteză.

Forță de rezistență medie- o forță care apare atunci când un corp solid se mișcă într-un mediu lichid sau gazos. Se referă la forțele disipative. Forța de rezistență este de natură electromagnetică, fiind o manifestare macroscopică a interacțiunii intermoleculare. Vectorul forță de tracțiune este direcționat opus vectorului viteză.

Forța normală de reacție a solului- forta elastica care actioneaza din suport asupra corpului. Dirijată perpendicular pe suprafața suportului.

Forțele de tensiune superficială- forțele care apar la suprafața interfeței de fază. Are natură electromagnetică, fiind o manifestare macroscopică a interacțiunii intermoleculare. Forța de tracțiune este direcționată tangențial la interfață; apare ca urmare a atracției necompensate a moleculelor situate la limita de fază de către molecule care nu se află la limita de fază.

Presiune osmotica

Forțele Van der Waals- forte intermoleculare electromagnetice care apar in timpul polarizarii moleculelor si formarii dipolilor. Forțele Van der Waals scad rapid odată cu creșterea distanței.

Forța de inerție- forța fictivă introdusă în sistemele de referință neinerțiale astfel încât legea a doua a lui Newton este îndeplinită în acestea. În special, în cadrul de referință asociat cu un corp uniform accelerat, forța de inerție este direcționată opus accelerației. Pentru comoditate, forța centrifugă și forța Coriolis pot fi separate de forța inerțială totală.

Rezultat

Când se calculează accelerația unui corp, toate forțele care acționează asupra acestuia sunt înlocuite cu o singură forță, numită rezultanta. Este suma geometrică a tuturor forțelor care acționează asupra unui corp. Mai mult, acțiunea fiecărei forțe nu depinde de acțiunea celorlalți, adică fiecare forță conferă corpului aceeași accelerație pe care ar da-o în absența acțiunii altor forțe. Această afirmație se numește principiul independenței acțiunii forțelor (principiul suprapunerii).

Vezi si

Surse

• Grigoriev V.I., Myakishev G.Ya. - „Forțele în natură”
• Landau, L. D., Lifshits, E. M. Mecanica - Ediția a 5-a, stereotip. - M.: Fizmatlit, 2004. - 224 p. - („Fizica teoretică”, Volumul I). - .

Note

1. Glosar. Observatorul Pământului. NASA. - „Forța este orice factor extern care provoacă o modificare a mișcării unui corp liber sau apariția unor tensiuni interne într-un corp fix.”(Engleză)
2. Bronshtein I. N. Semendyaev K. A. Manual de matematică. M.: Editura „Știință” Redacția literaturii fizice și matematice de referință.1964.

Există patru tipuri de forțe în natură: gravitaționale, electromagnetice, nucleare și slabe.

Forțele gravitaționale sau gravitatie, acționează între toate corpurile. Dar aceste forțe sunt vizibile dacă cel puțin unul dintre corpuri are dimensiuni comparabile cu dimensiunea planetelor. Forțele de atracție dintre corpurile obișnuite sunt atât de mici încât pot fi neglijate. Prin urmare, forțele de interacțiune dintre planete, precum și dintre planete și Soare sau alte corpuri care au o masă foarte mare, pot fi considerate gravitaționale. Acestea pot fi stele, sateliți ai planetelor etc.

Forțe electromagnetice acţionează între corpuri cu sarcină electrică.

Forțele nucleare(puternici) sunt cei mai puternici din natură. Acţionează în interiorul nucleelor ​​atomilor la distanţe de 10 -13 cm.

Forțe slabe, ca si cele nucleare, actioneaza la distante scurte de ordinul a 10 -15 cm.Ca urmare a actiunii lor au loc procese in interiorul nucleului.

Mecanica ia în considerare forțele gravitaționale, forțele elastice și forțele de frecare.

Forțele gravitaționale

Gravitația este descrisă legea gravitației universale. Această lege a fost conturat de Newton la mijloc XVII V. în lucrarea „Principii matematice ale filosofiei naturale”.

Prin gravitațienumită forța gravitațională cu care orice particule materiale se atrag reciproc.

Forța cu care particulele materiale se atrag reciproc este direct proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele .

G – constantă gravitațională, egală numeric cu modulul forței gravitaționale cu care acționează un corp având masa unitară asupra unui corp având aceeași unitate de masă și situat la o distanță unitară de acesta.

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

Pe suprafața Pământului, forța gravitațională (forța gravitațională) se manifestă ca gravitatie.

Vedem că orice obiect aruncat în direcție orizontală cade în continuare. Orice obiect aruncat în sus cade și el. Acest lucru se întâmplă sub influența gravitației, care acționează asupra orice corp material situat în apropierea suprafeței Pământului. Forța gravitației acționează asupra corpurilor și asupra suprafețelor altor corpuri astronomice. Această forță este întotdeauna îndreptată vertical în jos.

Sub influența gravitației, un corp se deplasează spre suprafața planetei cu accelerație, care se numește accelerarea căderii libere.

Accelerația gravitației pe suprafața Pământului este indicată prin literă g .

Ft = mg ,

prin urmare,

g = Ft / m

g = 9,81 m/s 2 la polii Pământului și la ecuator g = 9,78 m/s 2 .

La rezolvarea unor probleme fizice simple, valoarea g este considerat a fi egal cu 9,8 m/s 2.

Teoria clasică a gravitației este aplicabilă numai corpurilor a căror viteză este mult mai mică decât viteza luminii.

Forțe elastice

Forțe elastice sunt numite forțe care apar într-un corp ca urmare a deformării, determinând o modificare a formei sau volumului acestuia. Aceste forțe se străduiesc întotdeauna să readucă corpul în poziția inițială.

În timpul deformării, particulele corpului sunt deplasate. Forța elastică este direcționată în direcția opusă direcției deplasării particulelor. Dacă deformarea încetează, forța elastică dispare.

Fizicianul englez Robert Hooke, contemporan cu Newton, a descoperit o lege care stabilește o legătură între forța elasticității și deformarea unui corp.

Când un corp este deformat, apare o forță elastică care este direct proporțională cu alungirea corpului și are o direcție opusă mișcării particulelor în timpul deformării.

F = k ∆ l ,

Unde La – rigiditatea corpului sau coeficientul de elasticitate;

∆ l – cantitatea de deformare care arată cantitatea de alungire a corpului sub influența forțelor elastice.

Legea lui Hooke se aplică deformațiilor elastice atunci când alungirea corpului este mică, iar corpul își restabilește dimensiunile inițiale după ce forțele care au cauzat această deformare dispar.

Dacă deformarea este mare și corpul nu revine la forma inițială, legea lui Hooke nu se aplică. La Deformările foarte mari provoacă distrugerea corpului.

Forțele de frecare

Frecarea apare atunci când un corp se mișcă pe suprafața altuia. Este de natură electromagnetică. Aceasta este o consecință a interacțiunii dintre atomi și moleculele corpurilor în contact. Direcția forței de frecare este opusă direcției de mișcare.

Distinge uscatȘi lichid frecare. Frecarea se numește uscată dacă nu există un strat lichid sau gazos între corpuri.

O caracteristică distinctivă a frecării uscate este frecarea statică, care apare atunci când corpurile sunt în repaus relativ.

Magnitudinea forțe statice de frecareîntotdeauna egală cu mărimea forţei exterioare şi îndreptată în sens opus. Forța de frecare statică împiedică mișcarea unui corp.

La rândul său, frecarea uscată este împărțită în frecare alunecareși frecare rulare.

Dacă mărimea forței exterioare depășește magnitudinea forței de frecare, atunci va avea loc alunecarea, iar unul dintre corpurile de contact va începe să se miște înainte față de celălalt corp. Și forța de frecare va fi numită forța de frecare de alunecare. Direcția sa va fi opusă direcției de alunecare.

Forța frecării de alunecare depinde de forța cu care corpurile presează unele pe altele, de starea suprafețelor de frecare, de viteza de mișcare, dar nu depinde de zona de contact.

Forța de frecare de alunecare a unui corp pe suprafața altuia se calculează prin formula:

F tr. = k N ,

Unde k – coeficient de frecare de alunecare;

N – forta de reactie normala care actioneaza asupra corpului de la suprafata.

Forța de frecare de rulare apare între un corp care se rostogolește pe o suprafață și suprafața însăși. Astfel de forțe apar, de exemplu, atunci când anvelopele auto intră în contact cu suprafața drumului.

Mărimea forței de frecare de rulare este calculată prin formula

Unde Ft – forța de frecare la rulare;

f – coeficientul de frecare la rulare;

R – raza corpului de rulare;

N – forta de presare.

legile lui Newton

Prima lege a lui Newton

Există astfel de sisteme de referință, care se numesc inerțiale, față de care corpurile își păstrează viteza neschimbată dacă nu sunt acționate de alte corpuri sau acțiunea altor forțe este compensată.

legea lui Newton II

Accelerația unui corp este direct proporțională cu forțele rezultante aplicate corpului și invers proporțională cu masa acestuia:

legea lui Newton III

Forțele cu care două corpuri acționează unul asupra celuilalt sunt egale ca mărime și opuse ca direcție.

Tipuri de forțe

Forță elastică numită forța care ia naștere într-un corp atunci când forma sau dimensiunea acestuia se schimbă. Acest lucru se întâmplă atunci când corpul este comprimat, întins, îndoit sau răsucit. De exemplu, o forță elastică a apărut într-un arc ca urmare a comprimării acestuia și acționează asupra unei cărămizi.
Forța elastică este întotdeauna îndreptată opus forței care a provocat o schimbare a formei sau dimensiunii corpului. În exemplul nostru, cărămida care cădea a comprimat arcul, adică a acționat asupra acestuia cu o forță îndreptată în jos. Ca urmare, în arc a apărut o forță elastică, îndreptată în sens opus, adică în sus. Putem confirma acest lucru observând revenirea cărămizii.

Legea lui Hooke: forța elastică care apare într-un corp deformat este direct proporțională cu vectorul de deformare și este opusă acestuia în direcție.
unde k este coeficientul de elasticitate, L este mărimea deformației elastice.

Prin forța gravitației numiți forța cu care toate corpurile din lume se atrag unele pe altele (vezi § 2-a). Un tip de forță gravitațională este gravitația - forța cu care un corp situat în apropierea unei planete este atras de acesta. De exemplu, o rachetă staționată pe Marte este, de asemenea, afectată de gravitație.

Gravitatie mereu îndreptată spre centrul planetei. Figura arată că Pământul atrage băiatul și mingea cu forțe îndreptate în jos, adică spre centrul planetei. După cum puteți vedea, direcția în jos este diferită pentru diferite locuri de pe planetă. Acest lucru va fi valabil pentru alte planete și corpuri cosmice. Vom studia gravitația mai detaliat în § 3d.

Forța de frecare numită forța care împiedică un corp să alunece pe suprafața altuia. Să ne uităm la desen. Frânarea bruscă a unei mașini este întotdeauna însoțită de „frâne care scârțâie”. Acest sunet apare din cauza alunecării anvelopelor pe asfalt. În acest caz, anvelopele se uzează foarte mult, deoarece între roți și carosabil acționează o forță de frecare, prevenind alunecarea.
Forța de frecare este întotdeauna îndreptată opus direcției (posibilei) de alunecare a corpului în cauză de-a lungul suprafeței altuia. De exemplu, atunci când o mașină frânează brusc, roțile sale alunecă înainte, ceea ce înseamnă că forța de frecare asupra drumului care acționează asupra lor este îndreptată în sens opus, adică înapoi.
Forța de frecare apare nu numai atunci când un corp alunecă peste suprafața altuia. Există, de asemenea, o forță de frecare statică. De exemplu, când împingem de pe drum cu un pantof, nu observăm că alunecă. În acest caz, apare o forță de frecare statică, datorită căreia mergem înainte. Fără această forță, nu am putea face un singur pas, ca, de exemplu, pe gheață.

Prin puterea lui Arhimede(sau forța de plutire) este forța cu care un lichid sau un gaz acționează asupra unui corp scufundat în el - îl împinge afară. Figura arată că apa acționează asupra bulelor de aer expirate de pești - le împinge la suprafață. Apa afectează și peștii și pietrele - le reduce greutatea (forța cu care pietrele apasă pe fund).

Puterea de rezistență. Forța care acționează asupra unui corp în timpul mișcării sale de translație într-un lichid sau gaz se numește forță de tracțiune.
Forța de rezistență depinde de viteza corpului față de mediul extern și este direcționată opus vectorului viteză al corpului.
unde k este un coeficient de proporționalitate care depinde de viteza corpului față de mediu, V este modulul vitezei corpului față de mediu.

Forța de atracție gravitațională.
Interacțiunea gravitațională dintre corpuri se realizează prin câmpul gravitațional.
Forțele gravitaționale sunt direcționate de-a lungul unei linii drepte care leagă punctele de interacțiune, de exemplu. sunt forțele centrale.

Legea gravitației universale:
Între două puncte materiale există forțe de atracție reciprocă, proporționale cu produsul maselor punctelor, invers proporționale cu pătratul distanței dintre ele.
unde G = 6,67 · 10^-11 (N m^2) / kg^2 este constanta gravitațională, m1, m2 sunt masele gravitaționale ale punctelor materiale, R este distanța dintre punctele materiale.
Legea gravitației universale este valabilă și pentru corpurile sferice omogene. În acest caz, R este distanța dintre centrele de greutate ale corpurilor.

Toate procesele din jurul nostru au loc ca urmare a acțiunii uneia sau alteia forțe fizice. O persoană își întâlnește manifestarea peste tot, de la faptul că trebuie să facă forță pentru a se ridica din pat dimineața și terminând cu mișcările obiectelor spațiale masive. Acest articol este dedicat întrebărilor despre ce forță este în fizică și ce tipuri de ea există.

Conceptul de putere

Să începem să luăm în considerare întrebarea ce forță este în fizică cu definiția ei. Se înțelege a fi o cantitate capabilă să modifice cantitatea de mișcare a corpului în cauză. Expresia matematică pentru această definiție este:

Aici dp¯ este modificarea impulsului (altfel se numește impuls), dt este perioada de timp în care se modifică. Aceasta arată că F¯ (forța) este un vector, adică pentru a-l determina este necesar să se cunoască atât modulul (valoarea absolută), cât și direcția de aplicare a acestuia.

După cum știți, impulsul se măsoară în kg*m/s. Aceasta înseamnă că F¯ se calculează în kg*m/s2. Această unitate de măsură se numește newton (N) în SI. Deoarece unitatea m/s 2 este o măsură a accelerației liniare în mecanica clasică, a doua lege a lui Isaac Newton decurge automat din definiția forței:

În această formulă, a¯ = dv¯/dt este accelerația.

Această formulă de forță în fizică arată că în mecanica newtoniană mărimea F¯ este caracterizată de accelerația pe care o poate conferi unui corp cu masa m.

Clasificarea tipurilor de forțe

Subiectul forței în fizică este destul de larg, iar atunci când este examinat în detaliu, afectează concepte fundamentale despre structura materiei și procesele care au loc în Univers. În acest articol nu vom lua în considerare conceptul de forță relativistă (procese care au loc la viteze apropiate de lumina) și de forță în mecanica cuantică, ci ne vom limita doar la descrierea acestuia pentru obiectele macroscopice, a căror mișcare este determinată de legile clasice. mecanica.

Deci, pe baza observației zilnice a proceselor din viața de zi cu zi și din natură, se pot distinge următoarele tipuri de forțe:

• gravitație (gravitație);
• impactul sprijinului;
• frecare;
• tensiune;
• elasticitate;
• recul.

Extindem întrebarea ce forță este în fizică, să luăm în considerare fiecare dintre tipurile numite mai detaliat.

gravitația universală a lui Newton

În fizică, forța gravitației se manifestă prin atracția a două obiecte cu masă finită. Gravitația este destul de slabă în comparație cu forțele electrice sau nucleare. Se manifestă la scară cosmică (mișcarea planetelor, stelelor, galaxiilor).

În secolul al XVII-lea, Isaac Newton, studiind mișcarea planetelor în jurul Soarelui, a ajuns la formularea unei legi numite gravitația universală. În fizică, formula forței gravitației este scrisă după cum urmează:

Determinarea experimentală a valorii lui G a fost efectuată abia la sfârșitul secolului al XVIII-lea de Henry Cavendish, care a folosit o balanță de torsiune în experimentul său. Acest experiment a făcut posibilă determinarea masei planetei noastre.

În formula de mai sus, dacă unul dintre corpuri este Pământul nostru, atunci forța gravitațională pentru orice obiect situat lângă suprafața pământului va fi egală cu:

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

unde g = G*M/R 2

Aici M este masa planetei, R este raza acesteia (distanța dintre corp și centrul Pământului este aproximativ egală cu raza acestuia din urmă). Ultima expresie este o reprezentare matematică a cantității numită în mod obișnuit greutate corporală, adică:

Expresia arată că în fizică forța gravitației este echivalentă cu greutatea unui corp. Valoarea P se măsoară prin cunoaşterea forţei de reacţie a suportului pe care se află corpul dat.

Reacția suprafeței de susținere

De ce oamenii, casele și alte obiecte nu cad în subteran? De ce nu cade o carte pusă pe masă? Acestea și alte fapte similare se explică prin existența forței de reacție a suportului, care este adesea notat cu litera N. Din denumire este deja clar că este o caracteristică a impactului asupra corpului suprafeței pe care se află. situat.

Pe baza faptului remarcat al echilibrului, putem scrie expresia:

(pentru poziția orizontală a corpului)

Adică, forța de sprijin este egală ca mărime cu greutatea corpului dacă acesta se află pe o suprafață orizontală și opusă ca direcție. Dacă corpul este situat pe un plan înclinat, atunci N se calculează folosind funcția trigonometrică (sin(x) sau cos(x)), deoarece P este întotdeauna îndreptat spre centrul Pământului (în jos), iar N este direcționat perpendicular. la planul suprafeţei (în sus).

Înțelegerea motivului apariției forței N depășește mecanica clasică. Pe scurt, să spunem că este o consecință directă a așa-numitului principiu de excludere a lui Pauli. Potrivit acestuia, doi electroni nu pot fi în aceeași stare. Acest fapt duce la faptul că, dacă apropiați doi atomi, atunci, în ciuda golului lor de 99%, învelișurile de electroni nu vor putea să se pătrundă unul în celălalt, iar între ele apare o repulsie puternică.

Forța de frecare

În fizică, acest tip de acțiune a forței nu este mai puțin frecventă decât cele discutate mai sus. Frecarea are loc ori de câte ori un obiect începe să se miște. În general, în fizică, forța de frecare este de obicei clasificată ca unul din 3 tipuri:

• pace;
• alunecare;
• rulare.

Primele două tipuri sunt descrise prin următoarea expresie:

Aici μ este coeficientul de frecare, a cărui valoare depinde atât de tipul de forță (repaus sau frecare), cât și de materialele suprafețelor de frecare.

Frecarea de rulare, al cărei exemplu principal este o roată în mișcare, este calculată prin formula:

Aici R este raza roții, f este un coeficient care diferă de μ nu numai ca valoare, ci și ca dimensiune (μ este adimensional, f este măsurat în unități de lungime).

Orice tip de forță de frecare este întotdeauna îndreptată împotriva mișcării, este direct proporțională cu forța N și nu depinde de aria de contact a suprafețelor.

Motivul apariției frecării între două suprafețe este prezența micro-neomogenităților pe acestea, ceea ce duce la „angajarea” lor ca niște cârlige mici. Această explicație simplă este o aproximare destul de bună a procesului real, care este mult mai complex și necesită luarea în considerare a interacțiunilor la scară atomică pentru a fi pe deplin înțeles.

Formulele date se referă la frecarea solidelor. În cazul substanțelor fluide (lichide și gaze), frecarea este prezentă și ea, doar că aceasta se dovedește a fi proporțională cu viteza obiectului (pătratul vitezei pentru mișcări rapide).

Forța de tensiune

Ce este forța în fizică atunci când se ia în considerare mișcarea sarcinilor folosind frânghii, frânghii și cabluri? Se numește forță de tensiune. Este de obicei notat cu litera T (vezi figura de mai sus).

Când sunt luate în considerare problemele de fizică care implică forța de tensiune, ele implică adesea un mecanism atât de simplu precum un bloc. Vă permite să redirecționați forța de acționare T. Modelele speciale ale blocurilor asigură un câștig în forța aplicată pentru ridicarea sarcinii.

Fenomenul de elasticitate

Dacă deformațiile unui solid sunt mici (până la 1%), atunci după aplicarea unei forțe externe dispar complet. În timpul acestui proces, deformarea funcționează, creând așa-numita forță elastică. Pentru un arc, această cantitate este descrisă de legea lui Hooke. Formula corespunzătoare este:

Aici x este cantitatea de deplasare a arcului din starea sa de echilibru (deformație absolută), k este coeficientul. Semnul minus din expresie arată că forța elastică este îndreptată împotriva oricărei deformații (tensionare și compresiune), adică tinde să restabilească poziția de echilibru.

Motivul fizic al apariției forțelor de elasticitate și tensiune este același; constă în apariția atracției sau respingerii între atomii unei substanțe atunci când distanța de echilibru dintre ei se modifică.

Toată lumea știe că atunci când trageți din orice armă de foc, apare așa-zisul recul. Se manifestă prin faptul că patul pistolului lovește umărul trăgătorului, iar tancul sau pistolul se rostogolește înapoi atunci când obuzul zboară din bot. Toate acestea sunt manifestări ale puterii de dăruire. Formula pentru aceasta este similară cu cea dată la începutul articolului atunci când definiți conceptul de „forță”.

După cum ați putea ghici, motivul apariției forțelor de recul este manifestarea legii conservării impulsului sistemului. Astfel, un glonț aruncat din țeava unui pistol duce exact același impuls cu care patul lovește umărul trăgătorului, ca urmare, cantitatea totală de mișcare rămâne constantă (egal cu zero pentru un sistem relativ staționar).

Există o serie de legi care caracterizează procesele fizice în timpul mișcărilor mecanice ale corpurilor.

Se disting următoarele legi de bază ale forțelor în fizică:

• Legea gravitației;
• legea gravitației universale;
• legile forței de frecare;
• legea forței elastice;
• legile lui Newton.

Legea gravitației

Nota 1

Gravitația este una dintre manifestările acțiunii forțelor gravitaționale.

Gravitația este reprezentată ca o forță care acționează asupra unui corp din partea laterală a planetei și îi dă accelerație datorită gravitației.

Căderea liberă poate fi considerată sub forma $mg = G\frac(mM)(r^2)$, din care obținem formula pentru accelerarea căderii libere:

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

Formula pentru determinarea gravitației va arăta astfel:

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

Gravitația are un anumit vector de distribuție. Este întotdeauna îndreptată vertical în jos, adică spre centrul planetei. Corpul este supus în permanență gravitației și asta înseamnă că se află în cădere liberă.

Traiectoria mișcării sub influența gravitației depinde de:

• modulul vitezei inițiale a obiectului;
• direcția vitezei corpului.

O persoană se confruntă cu acest fenomen fizic în fiecare zi.

Gravitația poate fi reprezentată și ca formula $P = mg$. La accelerarea datorată gravitației, se iau în considerare și cantități suplimentare.

Dacă luăm în considerare legea gravitației universale, care a fost formulată de Isaac Newton, toate corpurile au o anumită masă. Sunt atrași unul de celălalt cu forță. Se va numi forța gravitațională.

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

Această forță este direct proporțională cu produsul maselor a două corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

$G = 6,7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, unde $G$ este constanta gravitațională și are conform sistemului internațional SI măsoară valoarea constantă.

Definiția 1

Greutatea este forța cu care un corp acționează pe suprafața planetei după ce apare gravitația.

În cazurile în care corpul este în repaus sau se mișcă uniform de-a lungul unei suprafețe orizontale, atunci greutatea va fi egală cu forța de reacție a suportului și va coincide ca valoare cu mărimea forței gravitaționale:

Cu o mișcare uniform accelerată pe verticală, greutatea va diferi de forța gravitațională, pe baza vectorului de accelerație. Când vectorul de accelerație este îndreptat în direcția opusă, apare o condiție de suprasarcină. În cazurile în care corpul și suportul se mișcă cu accelerația $a = g$, atunci greutatea va fi egală cu zero. O stare de greutate zero se numește imponderabilitate.

Intensitatea câmpului gravitațional se calculează după cum urmează:

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

Mărimea $F$ este forța gravitațională care acționează asupra unui punct material de masă $m$.

Corpul este plasat într-un anumit punct al câmpului.

Energia potențială a interacțiunii gravitaționale a două puncte materiale cu mase $m_1$ și $m_2$ trebuie să fie la o distanță $r$ unul de celălalt.

Potențialul câmpului gravitațional poate fi găsit folosind formula:

$\varphi = \Pi / m$

Aici $П$ este energia potențială a unui punct material cu masa $m$. Este plasat într-un anumit punct al câmpului.

Legile frecării

Nota 2

Forța de frecare apare în timpul mișcării și este îndreptată împotriva alunecării corpului.

Forța de frecare statică va fi proporțională cu reacția normală. Forța de frecare statică nu depinde de forma și dimensiunea suprafețelor de frecare. Coeficientul static de frecare depinde de materialul corpurilor care vin în contact și generează forța de frecare. Cu toate acestea, legile frecării nu pot fi numite stabile și precise, deoarece în rezultatele cercetării sunt adesea observate diferite abateri.

Scrierea tradițională a forței de frecare implică utilizarea coeficientului de frecare ($\eta$), $N$ este forța normală de presiune.

De asemenea, se disting frecarea externă, forța de frecare de rulare, forța de frecare de alunecare, forța de frecare vâscoasă și alte tipuri de frecare.

Legea forței elastice

Forța elastică este egală cu rigiditatea corpului, care este înmulțită cu cantitatea de deformare:

$F = k \cdot \Delta l$

În formula noastră clasică de forță pentru căutarea forței elastice, locul principal este ocupat de valorile rigidității corpului ($k$) și deformației corpului ($\Delta l$). Unitatea de măsură a forței este newtonul (N).

O formulă similară poate descrie cel mai simplu caz de deformare. Se numește în mod obișnuit legea lui Hooke. Se afirmă că atunci când se încearcă deformarea unui corp în orice mod disponibil, forța elastică va tinde să readucă forma obiectului la forma sa originală.

Pentru a înțelege și a descrie cu acuratețe un fenomen fizic, sunt introduse concepte suplimentare. Coeficientul de elasticitate arată dependența de:

• proprietățile materialelor;
• dimensiunile tijei.

În special, se distinge dependența de dimensiunile tijei sau suprafeței și lungimea secțiunii transversale. Apoi coeficientul de elasticitate al corpului se scrie sub forma:

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

În această formulă, cantitatea $E$ este modulul elastic de primul fel. Se mai numește și modulul lui Young. Reflectă caracteristicile mecanice ale unui anumit material.

Când se efectuează calcule ale tijelor drepte, legea lui Hooke este scrisă în formă relativă:

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

Se observă că aplicarea legii lui Hooke va fi eficientă doar pentru deformații relativ mici. Dacă nivelul limitei de proporționalitate este depășit, atunci relația dintre deformații și tensiuni devine neliniară. Pentru unele medii, legea lui Hooke nu poate fi aplicată nici măcar pentru deformații mici.