Tot ceea ce se întâmplă în lumea noastră se datorează influenței anumitor forțe în fizică. Și va trebui să le înveți pe fiecare, dacă nu la școală, atunci cu siguranță la institut.
Desigur, puteți încerca să le memorați. Dar va fi mult mai rapid, mai distractiv și mai interesant să înțelegem pur și simplu esența fiecărei forțe fizice în timp ce interacționează cu mediul.
Forțe în natură și interacțiuni fundamentale
Există o mulțime de forțe. Forța lui Arhimede, forța gravitațională, forța Ampère, forța Lorentz, forța Coreolis, forța de frecare-rulareși altele. De fapt, este imposibil să înveți toate forțele, deoarece nu toate au fost încă descoperite. Dar și acest lucru este foarte important - fără excepție, toate forțele cunoscute de noi pot fi reduse la manifestarea așa-numitelor interacțiuni fizice fundamentale.
Există 4 interacțiuni fizice fundamentale în natură. Ar fi mai corect să spunem că oamenii cunosc 4 interacțiuni fundamentale, iar momentan nu au fost găsite alte interacțiuni. Care sunt aceste interacțiuni?
- Interacțiune gravitațională
- Interacțiune electromagnetică
- Interacțiune puternică
- Interacțiune slabă
Deci, gravitația este o manifestare a interacțiunii gravitaționale. Majoritatea forțelor mecanice (forța de frecare, forța elastică) sunt rezultatul interacțiunii electromagnetice. Forța puternică ține împreună nucleonii nucleului unui atom, împiedicând nucleul să se descompună. Interacțiunea slabă face ca particulele elementare libere să se descompună. În acest caz, interacțiunile electromagnetice și slabe sunt combinate în interacțiune electroslabă.
O posibilă a cincea interacțiune fundamentală (după descoperire bosonul Higgs) sunt numite Câmpul Higgs. Dar în acest domeniu, totul a fost studiat atât de puțin încât nu ne vom grăbi să tragem concluzii, ci mai degrabă așteptăm ceea ce ne vor spune oamenii de știință de la CERN.
Există două moduri de a învăța legile fizicii.
Primul- învață prostesc semnificațiile, definițiile, formulele. Un dezavantaj semnificativ al acestei metode este că este puțin probabil să ajute la răspunsul la întrebări suplimentare din partea profesorului. Există un alt dezavantaj important al acestei metode - după ce ați învățat în acest fel, nu veți obține cel mai important lucru: înțelegerea. Ca urmare, memorarea unei reguli/formule/legi sau orice îți permite să dobândești doar cunoștințe fragile, de scurtă durată, pe această temă.
A doua cale- intelegerea materialului studiat. Dar este atât de ușor să înțelegi ceea ce este (în opinia ta) imposibil de înțeles?
Există, există o soluție la această problemă teribil de dificilă, dar rezolvabilă! Iată câteva modalități de a învăța toate forțele din fizică (și, în general, în orice altă materie):
Pe o notă!
Este important să vă amintiți și să cunoașteți toate forțele fizice (bine, sau să învățați întreaga listă a acestora în fizică) pentru a evita neînțelegerile jenante. Amintiți-vă că masa unui corp nu este greutatea sa, ci o măsură a inerției sale. De exemplu, în condiții de imponderabilitate, corpurile nu au greutate, deoarece nu există gravitație. Dar dacă doriți să mutați un corp cu gravitație zero de la locul său, va trebui să acționați asupra lui cu o anumită forță. Și cu cât greutatea corpului este mai mare, cu atât va trebui folosită mai multă forță.
Dacă vă puteți imagina cum se poate schimba greutatea unei persoane în funcție de alegerea planetei, veți putea înțelege rapid conceptul de forță gravitațională, cu conceptele de greutate și masă, forță de accelerație și alte forțe fizice. Această înțelegere va aduce cu ea o conștientizare logică a altor procese care au loc și, ca urmare, nici măcar nu va trebui să memorați material de neînțeles - îl veți putea reține pe măsură ce mergeți. Este destul de ușor de înțeles ideea.
- Pentru a înțelege efectul electromagnetic, va fi suficient să înțelegem pur și simplu cum curge curentul prin conductor și ce câmpuri se formează în acest caz, cum interacționează aceste câmpuri între ele. Luați în considerare acest lucru cu cele mai simple exemple și nu vă va fi greu să înțelegeți principiile de funcționare a unui motor electric, principiile arderii unui bec electric etc.
Profesorului îi va păsa în primul rând cât de bine înțelegeți materialul studiat. Și nu este atât de important dacă memorezi toate formulele. Iar în cazul rezolvării controlului, laboratorului, sarcinilor, lucrărilor practice sau achiziționării unui RGR, poți fi oricând ajutat specialistii nostri, a cărui putere constă în cunoștințe și mulți ani de experiență practică!
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 în valoare absolută și direcție, indiferent de punctul de aplicare, sunt considerați același vector. În fizică, acești vectori se numesc vectori liberi.În mecanică, conceptul de vectori legați, al căror început este fixat într-un anumit punct din spațiu, sau poate fi pe o linie care continuă direcția vectorului (vectori de alunecare), este extrem de comun. .
Se folosește și conceptul linie de forţă, indicând dreapta care trece prin punctul de aplicare al 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 - dyne.
Istoria conceptului
Conceptul de forță a fost folosit de oamenii de știință din antichitate în lucrările lor despre statică și mișcare. A fost angajat în studiul forțelor în procesul de proiectare a mecanismelor simple în secolul al III-lea. î.Hr e. Arhimede. Ideile lui Aristotel despre putere, asociate cu inconsecvențe fundamentale, au durat câteva secole. Aceste neconcordanțe 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 XX. Albert Einstein în teoria relativității a arătat că mecanica newtoniană este corectă numai la viteze și mase relativ mici ale corpurilor din sistem, clarificând astfel prevederile de bază ale cinematicii și dinamicii și descriind unele noi proprietăți ale spațiu-timpului.
mecanica newtoniana
Isaac Newton și-a propus să descrie mișcarea obiectelor folosind conceptele de inerție și forță. Făcând acest lucru, a stabilit pe parcurs că orice mișcare mecanică este supusă legilor generale de conservare. În domnul Newton a publicat celebra sa lucrare „”, în care a conturat cele trei legi fundamentale ale mecanicii clasice (celebrele legi ale lui Newton).
Prima lege a lui Newton
De exemplu, legile mecanicii sunt exact aceleași în caroseria unui camion atunci când circulă pe o porțiune dreaptă de drum cu o viteză constantă și când stă nemișcat. 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 rectiliniu sau 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 nu numai vertical, ci și orizontal prin inerție în direcția camionului. Pentru o persoană aflată în spatele unui camion, nu contează dacă acesta din urmă se deplasează de-a lungul drumului sau lumea din jur 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 devine:
a treia lege a lui Newton
Pentru oricare două corpuri (să le numim corp 1 și corp 2), a treia lege a lui Newton afirmă că forța acțiunii corpului 1 asupra corpului 2 este însoțită de apariția unei forțe egale în valoare absolută, dar opusă ca direcție, care acționează. pe corpul 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 afectat de forțele externe) nu se poate mișca cu accelerație. Părți separate ale sistemului pot accelera, dar numai în așa fel încât sistemul în ansamblu să rămână într-o stare de repaus sau de mișcare rectilinie uniformă. Cu toate acestea, în cazul în care forțele externe acționează asupra sistemului, atunci centrul său de masă va începe să se miște cu o accelerație proporțională cu forța externă rezultată 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. Cei puternici și slabi apar doar la distanțe foarte mici și sunt responsabili de interacțiunea dintre particulele subatomice, inclusiv nucleonii care alcătuiesc nucleii atomici.
Intensitatea interacțiunilor puternice și slabe se măsoară în unități de energie(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 din jurul nostru 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 - schimbul de gravitoni (existența nu a fost confirmată experimental), electromagnetic - fotoni virtuali, slab - bosoni vectoriali, puternici - gluoni (și la distanțe mari - mezoni). ). În prezent, interacțiunile electromagnetice și slabe sunt îmbinate în interacțiunea electroslabă mai fundamentală. Se încearcă combinarea tuturor celor patru interacțiuni fundamentale într-una singură (așa-numita teorie mare unificată).
Întreaga varietate de forțe 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 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 inutilă, ci și pur și simplu imposibilă în funcție de condițiile problemei, o examinare atât de detaliată a problemei acțiunii forțelor.
gravitatie
Gravitatie ( gravitatie) - interacțiune universală între orice fel de materie. În cadrul mecanicii clasice, este descrisă de legea gravitației universale, formulată de Isaac Newton în lucrarea sa „Principiile matematice ale filosofiei naturale”. Newton a obținut mărimea accelerației cu care se mișcă Luna în jurul Pământului, presupunând în calcul că forța gravitațională scade invers cu pătratul distanței față de corpul gravitațional. În plus, a mai constatat că accelerația datorată atracției 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 una de cealaltă cu o forță care este 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, se pot obține formule pentru calcularea forței gravitaționale a corpurilor de formă arbitrară. Teoria gravitației 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 mișcă cu o viteză apropiată 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 de sarcini fixe)
Dezvoltarea fizicii după Newton a adăugat celor trei cantități principale (lungime, masă, timp) o sarcină electrică cu dimensiunea C. Cu toate acestea, pe baza cerințelor practicii bazate pe comoditatea măsurării, un curent electric cu dimensiunea I a fost Mai mult, adesea folosit în loc de încărcare eu = CT − 1 . Unitatea de sarcină este coulombul, iar unitatea de 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 determină accelerația. După cum se aplică interacțiunii electrostatice 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 cu un factor de ε, unde ε este constanta dielectrică a mediului.
Direcția forței coincide cu linia care leagă sarcinile punctuale. Grafic, un câmp 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, lipsită de masă. Aceste linii încep pe una și se termină pe celelalte taxe.
Câmp electromagnetic (câmp DC)
Existența unui câmp magnetic a fost recunoscută încă din Evul Mediu de către chinezi, care au folosit „piatra iubitoare” – un magnet, ca prototip de busolă magnetică. Grafic, câmpul magnetic este de obicei descris ca linii de forță închise, a căror densitate (ca în cazul unui câmp electrostatic) determină intensitatea acestuia. Din punct de vedere istoric, o modalitate vizuală de a vizualiza câmpul magnetic a fost pilitura de fier, turnată, de exemplu, pe o foaie de hârtie așezată pe un magnet.
Tipuri derivate de forțe
Forță elastică- forta care decurge din deformarea corpului si care se opune acestei deformari. În cazul deformațiilor elastice, este potențial. Forța elastică are natură electromagnetică, fiind o manifestare macroscopică a interacțiunii intermoleculare. Forța elastică este îndreptată opus deplasării, perpendicular pe suprafață. Vectorul forță este opus direcției de deplasare a moleculelor.
Forța de frecare- forța care decurge din mișcarea relativă a corpurilor solide și opusă acestei mișcări. Se referă la forțele disipative. Forța de frecare are natură electromagnetică, fiind o manifestare macroscopică a interacțiunii intermoleculare. Vectorul forță de frecare este direcționat opus vectorului viteză.
Forță de rezistență medie- forta rezultata din miscarea unui corp solid intr-un mediu lichid sau gazos. Se referă la forțele disipative. Forța de rezistență are natură electromagnetică, fiind o manifestare macroscopică a interacțiunii intermoleculare. Vectorul forță de rezistență este direcționat opus vectorului viteză.
Forța de reacție normală de sprijin- forta elastica care actioneaza din partea de sprijin asupra corpului. Dirijată perpendicular pe suprafața suportului.
Forțele de tensiune superficială- forțele care apar pe suprafața secțiunii de fază. Are natură electromagnetică, fiind o manifestare macroscopică a interacțiunii intermoleculare. Forța de tensiune este direcționată tangențial la interfață; apare din cauza atracției necompensate a moleculelor situate la limita de fază de către moleculele care nu se află la limita de fază.
Presiune osmotica
Forțele Van der Waals- forte intermoleculare electromagnetice care decurg din polarizarea moleculelor si formarea dipolilor. Forțele Van der Waals scad rapid odată cu creșterea distanței.
forta de inertie este o forță fictivă introdusă în cadre de referință neinerțiale pentru a îndeplini în ele a doua lege a lui Newton. În special, în cadrul de referință asociat cu un corp uniform accelerat, forța de inerție este direcționată opus accelerației. Din forța de inerție totală, forța centrifugă și forța Coriolis pot fi distinse pentru comoditate.
Rezultat
La calcularea accelerației unui corp, toate forțele care acționează asupra acestuia sunt înlocuite cu o singură forță, numită rezultanta. Aceasta este suma geometrică a tuturor forțelor care acționează asupra corpului. În acest caz, acțiunea fiecărei forțe nu depinde de acțiunea altora, adică fiecare forță conferă corpului o astfel de 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., Lifshitz, E. M. Mecanica – editia a 5-a, stereotip. - M .: Fizmatlit, 2004. - 224 p. - („Fizica teoretică”, Volumul I). - .
Note
- Glosar. Observatorul Pământului. NASA. - „Forța – orice factor extern care provoacă o modificare a mișcării unui corp liber sau apariția unor tensiuni interne într-un corp fix”.(Engleză)
- Bronstein I. N. Semendyaev K. A. Manual de matematică. M .: Editura „Nauka” Ediția de literatură fizică și matematică de referință. 1964.
Cuvântul „putere” este atât de atotcuprinzător încât a-i oferi un concept clar este o sarcină aproape imposibilă. Varietatea de la forța musculară la forța minții nu acoperă întreaga gamă de concepte investite în ea. Forța, considerată ca mărime fizică, are un sens și o definiție bine definite. Formula forței definește un model matematic: dependența forței de parametrii principali.
Istoria cercetării forței include definiția dependenței de parametri și dovada experimentală a dependenței.
Forța în fizică
Forța este o măsură a interacțiunii corpurilor. Acțiunea reciprocă a corpurilor unul asupra celuilalt descrie pe deplin procesele asociate cu o schimbare a vitezei sau deformarii corpurilor.
Ca mărime fizică, forța are o unitate de măsură (în sistemul SI - Newton) și un dispozitiv pentru măsurarea acesteia - un dinamometru. Principiul de funcționare al forțemetrului se bazează pe compararea forței care acționează asupra corpului cu forța elastică a arcului dinamometrului.
O forță de 1 newton este considerată forța sub care un corp cu masa de 1 kg își schimbă viteza cu 1 m într-o secundă.
Forța este definită ca:
- direcția de acțiune;
- punct de aplicare;
- modul, valoare absolută.
Descriind interacțiunea, asigurați-vă că indicați acești parametri.
Tipuri de interacțiuni naturale: gravitaționale, electromagnetice, puternice, slabe. Gravitația universală gravitațională cu varietatea sa - gravitația) există datorită influenței câmpurilor gravitaționale care înconjoară orice corp care are masă. Studiul câmpurilor gravitaționale nu a fost finalizat până acum. Nu este încă posibil să găsiți sursa câmpului.
Un număr mai mare de forțe apar din cauza interacțiunii electromagnetice a atomilor care alcătuiesc substanța.
forta de presiune
Când un corp interacționează cu Pământul, acesta exercită presiune asupra suprafeței. A cărei forță are forma: P = mg, este determinată de masa corpului (m). Accelerația de cădere liberă (g) are valori diferite la diferite latitudini ale Pământului.
Forța de presiune verticală este egală ca modul și opusă ca direcție forței elastice care ia naștere în suport. Formula forței se modifică în funcție de mișcarea corpului.
Modificarea greutății corporale
Acțiunea unui corp asupra unui suport datorită interacțiunii cu Pământul este adesea denumită greutatea corpului. Interesant este că cantitatea de greutate corporală depinde de accelerația mișcării în direcția verticală. În cazul în care direcția de accelerație este opusă accelerației căderii libere, se observă o creștere a greutății. Dacă accelerația corpului coincide cu direcția căderii libere, atunci greutatea corpului scade. De exemplu, în timp ce se află într-un lift ascendent, la începutul ascensiunii, o persoană simte o creștere în greutate pentru un timp. Nu este necesar să se afirme că masa sa se schimbă. În același timp, împărtășim conceptele de „greutate corporală” și „masa” acesteia.
Forță elastică
Când forma corpului se schimbă (deformarea acestuia), apare o forță care tinde să readucă corpul la forma sa inițială. Această forță a primit numele de „forță elastică”. Apare ca urmare a interacțiunii electrice a particulelor care alcătuiesc corpul.
Luați în considerare cea mai simplă deformare: tensiune și compresie. Tensiunea este însoțită de o creștere a dimensiunilor liniare ale corpurilor, compresia - de scăderea acestora. Valoarea care caracterizează aceste procese se numește alungirea corpului. Să o notăm cu „x”. Formula forței elastice este direct legată de alungire. Fiecare corp supus deformarii are propriii parametri geometrici si fizici. Dependența rezistenței elastice la deformare de proprietățile corpului și ale materialului din care este realizată este determinată de coeficientul de elasticitate, să-l numim rigiditate (k).
Modelul matematic al interacțiunii elastice este descris de legea lui Hooke.
Forța care rezultă din deformarea corpului este îndreptată împotriva direcției de deplasare a părților individuale ale corpului, este direct proporțională cu alungirea acestuia:
- F y = -kx (în notație vectorială).
Semnul „-” indică direcția opusă de deformare și forță.
În formă scalară, nu există semn negativ. Forța elastică, a cărei formulă este următoarea F y = kx, este utilizată numai pentru deformații elastice.
Interacțiunea unui câmp magnetic cu curentul
Este descris efectul unui câmp magnetic asupra unui curent continuu.În acest caz, forța cu care acționează câmpul magnetic asupra unui conductor cu curent plasat în el se numește forță Amperi.
Interacțiunea câmpului magnetic cu provoacă o manifestare de forță. Forța Amperi, a cărei formulă este F = IBlsinα, depinde de (B), lungimea părții active a conductorului (l), (I) în conductor și unghiul dintre direcția curentului și inducția magnetică. .
Datorită ultimei dependențe, se poate argumenta că vectorul câmpului magnetic se poate schimba atunci când conductorul este rotit sau direcția curentului se schimbă. Regula mâinii stângi vă permite să setați direcția de acțiune. Dacă mâna stângă este poziționată astfel încât vectorul de inducție magnetică să intre în palmă, patru degete sunt direcționate de-a lungul curentului din conductor, atunci degetul mare îndoit la 90 ° va arăta direcția câmpului magnetic.
Utilizarea acestui efect de către omenire a fost găsită, de exemplu, în motoarele electrice. Rotația rotorului este cauzată de un câmp magnetic creat de un electromagnet puternic. Formula de forță vă permite să judecați posibilitatea de a schimba puterea motorului. Odată cu creșterea intensității curentului sau a câmpului, cuplul crește, ceea ce duce la o creștere a puterii motorului.
Traiectorii particulelor
Interacțiunea unui câmp magnetic cu o sarcină este utilizată pe scară largă în spectrografele de masă în studiul particulelor elementare.
Acțiunea câmpului în acest caz provoacă apariția unei forțe numite forță Lorentz. Când o particulă încărcată care se mișcă cu o anumită viteză intră într-un câmp magnetic, a cărui formulă are forma F = vBqsinα face ca particula să se miște într-un cerc.
În acest model matematic, v este modulul de viteză al unei particule a cărei sarcină electrică este q, B este inducția magnetică a câmpului, α este unghiul dintre direcțiile vitezei și inducția magnetică.
Particula se mișcă într-un cerc (sau un arc de cerc), deoarece forța și viteza sunt direcționate la un unghi de 90 ° una față de cealaltă. O modificare a direcției vitezei liniare determină apariția unei accelerații.
Regula mâinii stângi, discutată mai sus, are loc și în studiul forței Lorentz: dacă mâna stângă este plasată în așa fel încât vectorul inducției magnetice să intre în palmă, patru degete întinse într-o linie sunt îndreptate de-a lungul viteza unei particule încărcate pozitiv, apoi îndoit cu 90 °, degetul mare va arăta direcția forței.
Probleme cu plasma
Interacțiunea dintre câmp magnetic și materie este utilizată în ciclotroni. Problemele asociate studiului de laborator al plasmei nu permit păstrarea acesteia în vase închise. High poate exista doar la temperaturi ridicate. Plasma poate fi păstrată într-un singur loc în spațiu prin intermediul câmpurilor magnetice, răsucirea gazului sub formă de inel. Cele controlate pot fi, de asemenea, studiate prin răsucirea plasmei de înaltă temperatură într-un filament folosind câmpuri magnetice.
Un exemplu de acțiune a unui câmp magnetic în condiții naturale asupra unui gaz ionizat este Aurora Borealis. Acest spectacol maiestuos este observat dincolo de Cercul Arctic la o altitudine de 100 km deasupra suprafeței pământului. Stralucirea misterioasa colorata a gazului a putut fi explicata abia in secolul al XX-lea. Câmpul magnetic al Pământului în apropierea polilor nu poate împiedica pătrunderea vântului solar în atmosferă. Radiația cea mai activă direcționată de-a lungul liniilor de inducție magnetică provoacă ionizarea atmosferei.
Fenomene asociate mișcării sarcinii
Din punct de vedere istoric, cantitatea principală care caracterizează fluxul de curent într-un conductor se numește puterea curentului. Interesant este că acest concept nu are nimic de-a face cu forța în fizică. Puterea curentului, a cărei formulă include sarcina care curge pe unitatea de timp prin secțiunea transversală a conductorului, are forma:
- I = q/t, unde t este timpul de curgere a sarcinii q.
De fapt, puterea curentului este cantitatea de încărcare. Unitatea sa de măsură este Amperi (A), spre deosebire de N.
Determinarea muncii unei forțe
Acțiunea forței asupra unei substanțe este însoțită de efectuarea muncii. Lucrul unei forțe este o mărime fizică egală numeric cu produsul dintre forța și deplasarea trecută sub acțiunea acesteia și cosinusul unghiului dintre direcțiile forței și deplasarea.
Lucrul dorit al forței, a cărei formulă este A = FScosα, include mărimea forței.
Acțiunea corpului este însoțită de o modificare a vitezei corpului sau de deformare, ceea ce indică modificări simultane ale energiei. Munca efectuată de o forță este direct legată de mărimea acesteia.
Fizica are patru tipuri de interacțiuni fundamentale. Două dintre ele - gravitaționale și electromagnetice au o rază infinită de acțiune și se manifestă atât în macro- cât și în microcosmos. Încă două - puternice (nucleare) și slabe (responsabile pentru dezintegrarea radioactivă), datorită micșorării razei de acțiune, se manifestă numai în microcosmos, „ascunzându-se” în interiorul nucleului atomului și nu se manifestă în macrocosm. Toate interacțiunile mecanice sunt reduse la trei tipuri: forță gravitațională (gravitație), forță elastică și forță de frecare. Forțele elastice și de frecare sunt de natură electromagnetică: toate corpurile sunt compuse din atomi, care includ particule încărcate electric.
Interacțiunea gravitațională exprimă Legea gravitației:
G
- constantă gravitațională, s-a introdus să se convină asupra unităților de măsură ale mărimilor din ambele părți ale formulei, în SI
G
= 6,67. 10 -11 N. m 2 / kg 2 = 6,67. 10 -11 m 3 / (kg. s 2), T 1
Și T 2 - mase de puncte materiale, r este distanța dintre ele. Legea sub forma (2.3.1) este aplicabilă și pentru calcularea forțelor gravitaționale dintre un punct material și un corp sferic, sau două corpuri sferice. În acest caz r
– distanta fata de b.w. spre centrul mingii, respectiv, între centrele mingii. Forța gravitației este direcționată de-a lungul r. Masa care apare în legea gravitației universale se numește masa gravitațională sau gravitațională, spre deosebire de masa inerțială, care măsoară capacitatea unui corp de a rezista unei schimbări de stare sub influența altui corp. S-a stabilit experimental că aceste mase sunt egale între ele (R. Eötvös, 1894). Acest fapt experimental se numește principiul echivalenței și stă la baza teoriei generale a relativității a lui Einstein (teoria gravitației). Din principiul echivalenței, în special, rezultă că forța gravitațională a unui corp conferă tuturor celorlalte corpuri aceeași accelerație, indiferent de masele lor. De exemplu, toate corpurile sunt atrase de pământ, se numește forța gravitațională care acționează asupra lor gravitatie, îl definim folosind formula (2.3.1): 
. Aici 
- accelerarea gravitației, M 3
Și R 3
respectiv masa pământului și raza acestuia. Forma Pământului diferă de o sferă, în plus, densitatea materiei nu este aceeași în diferite locuri ale volumului său, dar influența acestor parametri este atât de nesemnificativă încât poate fi neglijată, astfel încât în toate punctele de pe Pământul. suprafaţă g9,8 m/s 2 . Gravitatie pe suprafața pământului se exprimă prin formula:
(2.3.2)
Din ceea ce s-a luat în considerare, este clar că pe diferite planete forța gravitației și accelerația căderii libere care îi sunt transmise sunt diferite. De exemplu, forța gravitației pe Lună este de aproape 6 ori mai mică decât pe Pământ, iar pe măsură ce călătorul spațial se îndepărtează de suprafața Pământului, forța gravitației care acționează asupra lui scade.
Gravitația este motivul pentru care lipsa de sprijin (suspensie) provoacă căderea corpului. Forța care acționează din partea laterală a suportului (suspensia) se numește reacția suportului și este întotdeauna îndreptată perpendicular pe suprafața suportului pe corp, i.e. din suport. Este clar de ce o suprafață verticală nu poate servi drept suport. greutate corporala numită forța cu care corpul apasă pe un suport sau trage o suspensie care îl împiedică să cadă pe pământ. În conformitate cu a treia lege a lui Newton, greutatea și reacția suportului (forța de acțiune și forța de reacție) sunt egale între ele. Conceptul de imponderabilitate înseamnă absența acestor forțe, în special, de îndată ce sărim pentru a ne desprinde de sprijin, cădem într-o stare de imponderabilitate. Pe tot timpul mișcării, până când aterizăm din nou pe suport, forța gravitației nu încetează să acționeze, încetinind mișcarea în sus și accelerând mișcarea în jos, dar nu există greutate. Astronauții dintr-o navă spațială care se mișcă cu motoarele oprite sunt, de asemenea, într-o stare de imponderabilitate. Dar atunci când navele spațiale accelerează, ei se confruntă cu supraîncărcări atunci când greutatea depășește semnificativ forța gravitațională: reacția suportului nu trebuie doar să compenseze forța gravitațională care presează astronautul pe scaun, ci și să transmită o accelerație direcționată de la pământ. Cu toate acestea, nu numai astronauții se confruntă cu astfel de supraîncărcări.
Forța elastică apare într-un corp deformat elastic și contracarează forța externă. 
putere formativă. Deformări, adică o modificare a distantelor dintre punctele corpului ca urmare a unei influente externe se numeste elastica daca acestea dispar dupa inlaturarea influentei. De regulă, doar deformațiile mici sunt elastice. Un exemplu este deformarea elastică a unui arc comprimat sau întins. Fig. 7 a) prezintă un arc neformat, Fig. 7 b) același arc este întins de o forță externă 
prin suma X, ca urmare, a 
.Mărimea forței elastice este exprimată prin legea lui Hooke:
F= - kx (2.3.3)
k – coeficientul de elasticitate (rigiditatea), o valoare constantă pentru un corp dat, în SI se măsoară în newtoni pe metru (N/m). Semnul minus indică direcțiile opuse ale forței elastice și deformației.
Forța de frecare împiedică mișcarea corpului. Distingeți frecarea uscată și frecarea lichidă.
Forța de frecare uscată apare între corpurile solide în contact unele cu altele de-a lungul unei anumite suprafețe și este cauzată de faptul că rugozitatea suprafeței unui corp, agățată de rugozitatea suprafeței unui alt corp, le împiedică să alunece unul față de celălalt. Orez. 8 ilustrează situația luată în considerare: corpul 1 se mișcă cu o viteză 
pe suprafaţa corpului 2. Experienţa arată că forţa de frecare de alunecare F tr proporţional cu reacţia de sprijin Nși este îndreptată în direcția opusă vitezei:
F tr = N (2.3.4)
-
coeficient de frecare, mărime adimensională. Sensul lui depinde de 
suprafețele de frecare, calitatea prelucrării lor, contaminarea și este de obicei considerată aproximativ constantă pentru două corpuri specifice. De fapt, deoarece viteza tinde spre zero, există o oarecare creștere a forței de frecare până la valoare F 0
.
Pe fig. Figura 9 prezintă un grafic al modulului forței de frecare de alunecare în funcție de viteză pentru mișcarea prezentată în Figura 8.
Pentru ca un corp aflat în repaus 1 să se miște, trebuie să i se aplice o forță, care depășește ușor F 0 . Dacă forța de forfecare externă F< F 0 , atunci corpul 1 va rămâne nemișcat. Aceasta înseamnă că forța externă nu este capabilă să depășească frecarea și este echilibrată de forța de frecare statică. F pok. Din legile lui Newton rezultă că forța de frecare statică este numeric egală și direcționată opus F . Din cele spuse, este clar că 0 F pok . F 0 . Pentru forța maximă de frecare statică, se folosește uneori coeficientul de frecare statică 0 in formula:
F 0 = 0 N (2.3.5)
Rețineți că formula (2.3.5) și 0 au sens numai în raport cu forța maximă de frecare statică.
Frecarea, lichidă sau vâscoasă, apare atunci când straturile de lichid sau gaz se mișcă unul față de celălalt. Apare atunci când un corp solid se mișcă într-un lichid sau gaz, precum și în prezența unui lubrifiant lichid (vâscos) între suprafețele de frecare ale corpurilor solide. O caracteristică a frecării lichide este absența frecării statice. Probabil a trebuit să observați că chiar și un copil poate muta fără dificultate un buștean greu în apă, în timp ce același buștean culcat pe uscat nu poate fi întotdeauna mutat nici măcar de un bărbat puternic. O altă caracteristică distinctivă a frecării vâscoase este creșterea forței de frecare odată cu creșterea vitezei, în plus, pentru viteze mici această dependență este liniară, iar la viteze mari devine pătratică. Întâmpinăm forța de frecare vâscoasă înotând și scufundându-ne în apă, precum și pe vremea vântului.
Rețineți că acțiunea asupra corpului mai multor forțe poate fi înlocuită cu una. Se numește rezultanta și este egală cu suma vectorială a tuturor forțelor care acționează asupra corpului:
(2.3.6)
Formula (2.3.6) este o expresie a principiului suprapunerii, i.e. principiul adunării independente. Același principiu permite ca o forță să fie reprezentată ca suma proiecțiilor sale, de exemplu: 
Forțe gravitaționale (forțe gravitaționale).
În cadrul de referință asociat Pământului, orice corp cu masa m este afectat de o forță: , numită forța gravitațională - forța cu care corpul este atras de Pământ. Sub influența forței de atracție către Pământ, toate corpurile cad cu aceeași accelerație, numită accelerație de cădere liberă.
greutate corporala- numită forța cu care corpul, datorită gravitației către Pământ, acționează asupra suportului sau trage firul de suspensie.
Gravitația acționează întotdeauna, iar greutatea apare doar atunci când alte forțe acționează asupra corpului în afară de gravitație. Forța gravitației este egală cu greutatea corpului numai atunci când accelerația corpului față de Pământ este zero. În rest, unde este accelerația corpului cu sprijin față de Pământ. Dacă corpul se mișcă liber în câmpul de forță gravitațională, atunci greutatea este zero, adică. corpul va fi lipsit de greutate.
Imponderabilitate este starea unui corp în care se mișcă numai sub influența gravitației.
forte elastice apar ca urmare a interacțiunii corpurilor, însoțită de deformarea lor.
Forța elastică este proporțională cu deplasarea particulei din poziția de echilibru și este îndreptată către poziția de echilibru:
unde este vectorul rază care caracterizează deplasarea particulei din poziția de echilibru, este elasticitatea. Un exemplu de astfel de forță este forța elastică de deformare a unui arc sub tensiune sau compresiune.
forța de frecare de alunecare apare atunci când un anumit corp alunecă pe suprafața altuia:
unde k este coeficientul de frecare de alunecare, în funcție de natura și starea suprafețelor de contact; N este forța presiunii normale care presează suprafețele de frecare una pe cealaltă.
Forța de frecare este direcționată tangențial la suprafețele de frecare în direcția opusă mișcării unui corp dat față de altul.
§ 13. Energie. Munca si putere
Energie este o măsură universală a diferitelor forme de mișcare și interacțiune. Diverse forme de energie sunt asociate cu diverse forme de mișcare a materiei: mecanică, termică, electromagnetică, nucleară etc.
Modificarea mișcării mecanice și a energiei corpului are loc în procesul de interacțiune a forței a acestui corp cu alte corpuri. Pentru a caracteriza cantitativ acest proces în mecanică, se introduce conceptul de muncă efectuată de o forță.
Figura 13.1
Dacă forța luată în considerare este constantă și corpul căruia i se aplică se mișcă translațional și rectiliniu, atunci munca efectuată de forță atunci când corpul trece pe cale se numește mărime
Unde A - unghiul dintre forța și direcția de mișcare a corpului.
Figura 13.2
Loc de munca- valoare scalară. Dacă vectorul forță și vectorul deplasare formează un unghi ascuțit, i.e. , atunci, dacă, atunci, i.e. o forță care acționează perpendicular pe deplasarea corpului nu lucrează.
În cazul general, corpul se poate mișca într-un mod arbitrar, destul de complex (Fig. 13.2). Selectați o secțiune elementară a căii dS, asupra căruia forța poate fi considerată constantă, iar deplasarea este rectilinie. Lucrarea elementară din această secțiune este egală cu
Munca totală efectuată pe traseu este determinată de integrală
Unitatea de lucru este joule ( J) - munca efectuata de forta 1N pe traseul 1m: 1J-1Ns.
Figura 13.3
Forța care acționează asupra unui punct material se numește conservatoare sau potențială dacă munca efectuată de această forță la mutarea acestui punct dintr-o poziție arbitrară 1 în alta 2 nu depinde de traiectoria care a avut loc această mișcare:
=
Inversarea direcției de mișcare a unui punct de-a lungul traiectoriei determină o modificare a semnului forței conservatoare, deoarece mărimea își schimbă semnul. Prin urmare, atunci când deplasați un punct material de-a lungul unei traiectorii închise, de exemplu 1- A-2- b-1 , munca efectuată de forța conservativă este zero.
Un exemplu de forțe conservatoare sunt forțele de gravitație universală, forțele de elasticitate, forțele de interacțiune electrostatică a corpurilor încărcate. Un câmp al cărui lucru al forțelor în deplasarea unui punct material de-a lungul unei traiectorii închise arbitrare este egal cu zero se numește potențial.
Pentru a caracteriza rata de lucru, introduceți conceptul putere. Puterea este egală cu produsul scalar dintre vectorul forță și vectorul viteză cu care se mișcă punctul de aplicare al acestei forțe.
Unitatea de putere este watt (W): 1 W este puterea la care se lucrează 1 J în 1 s: \u003d 1W \u003d 1J / s.
