Лайфхакі для тих, хто вчить фізику: як вивчити всі сили? Які види сили існують.

Існує величезна різноманітність понять «сила». Воно використовується в різних галузях науки та життєдіяльності. Найбільш широке визначення дається у фізиці.

Визначення 1

У фізиці сила є мірою взаємодії різних тіл.

Всі тіла в навколишньому світі взаємно впливають одне на одного. Подібна взаємодія породжується певними силами. Ці силові процеси безпосередньо пов'язані:

• із зміною швидкості;
• із деформацією тел.

Формула сили формує певну математичну модель, за якою відбувається історія дослідження залежності сили від основних параметрів. Результатом досліджень мають стати експериментальні докази існування такої залежності.

Сила має у системі СІ власну одиницю виміру. Для визначення цього показника застосовують спеціальне наукове обладнання. Найпростішим приладом для вимірювання сили є динамометр.

Це прилад порівнює силу, що діє на тіло, із силою пружності пружини, встановленої в силометрі.

Сила є векторною величиною та визначається:

• точкою програми;
• напрямом дії;
• абсолютною величиною.

Визначення 2

Сила в 1 ньютон (Н) – сила, під дією якої тіло за 1 кілограм змінює власну швидкість на 1 метр за одну секунду.

При описі сили обов'язково вказуються її параметри.

Сила тиску

Існує кілька видів взаємодій, що мають природний початок:

• гравітаційна взаємодія;
• електромагнітні взаємодії;
• слабкі та сильні взаємодії.

Вони оточують будь-яке тіло, яке має багато. Сила тяжіння – це сила всесвітнього тяжіння, включаючи її різновиди. В даний час активно вивчається взаємодія гравітаційних полів у Всесвіті та дослідження поки що не можуть дати точних відповідей на багато питань, у тому числі щодо природи виникнення та існування таких сил. Джерело глобального поля поки що знайти не вдалося, проте відомо, що значна частина гравітаційних сил виникає через електромагнітну взаємодію на атомному рівні. Як відомо, всі речовини складаються з атомів та молекул. Цей факт став основою всіх сучасних досліджень у цій сфері.

Гравітаційні сили при взаємодії тіл із поверхнею Землі чинять тиск. Сила тиску визначається масою тіла (m) і можна побачити у формулі $P=mg$, де g – прискорення вільного падіння. Ця величина має різні показники різних широтах планети.

Сила вертикального тиску дорівнює по абсолютній величині, але протилежна щодо спрямування сили пружності. У такому разі формула сили змінюватиметься, виходячи з руху тіла.

Вага тіла зазвичай у вигляді дії тіла на опору після взаємодії із Землею. Розмір ваги тіла залежить від прискорення руху, що відбувається у вертикальному напрямку. Збільшення ваги спостерігається за зміни напряму прискорення. Воно має діяти у протилежному напрямі прискорення вільного падіння. Зменшення ваги спостерігається під час прискорення тіла. Воно має збігатися із напрямком вільного падіння.

Сила пружності

При деформації форми тіла утворюється ще одна сила. Вона спрямована на те, щоб повернути тілу початковий стан. Сила пружності може виникнути при електричній взаємодії частинок. Деформації бувають двох основних видів: стиск та розтяг. При розтягуванні відбувається збільшення лінійних розмірів тіла. Стиснення характеризується зворотним процесом, у ході якого спостерігається зменшення лінійних розмірів тіла.

Формула сили пружності має такий вигляд:

Вона використовується лише за пружних деформаційних процесах.

Взаємодія магнітного поля зі струмом

Закон Ампера описує вплив магнітного поля на провідник із струмом, який поміщений до нього.

Силові прояви викликаються при взаємодії магнітного поля та електричним зарядом, що перебуває в русі.

Сила Ампера визначається за такою формулою:

• $I$ – сила струму у провіднику,
• $l$ – довжина активної частини провідника,
• $ $ - магнітна індукція.

Така залежність свідчить, що вектор дії магнітного поля змінюється при розвороті провідника, і навіть зміні напрями струму.

Сила Лоренца

У дослідженні елементарних частинок активно використовуються дані спектографів, де фіксується рівень взаємодії магнітного поля із зарядом. У цьому процесі виникає інша сила, яку охарактеризував з допомогою свого рівняння Лоренц. Вона виникає при попаданні в магнітне поле зарядженої частки, що рухається з певною швидкістю.

Сила Лоренца визначається формулою у вигляді:

$F = vBqsinα$, де:

• $v$ – модуль швидкості частинки,
• $В$ - магнітна індукція поля,
• $q$ – ​​електричний заряд частки, що вивчається.

Ця сила викликає рух зарядженої частки по колу.

Взаємодія магнітного поля та речовини використовується в циклотронах, де намагаються народити процес термоядерної реакції, проте досі не існує ефективного способу створення нового джерела енергії.

Сила струму та робота сили

Визначення 3

Сила струму – основна величина, що характеризує перебіг струму у провіднику.

Формула $I = q/t$, де $q$ – ​​заряд, $t$ – час перебігу, включає заряд, що протікає за одиницю часу через поперечний переріз провідника.

Роботою сили називають таку фізичну величину, яка за чисельним складом дорівнює добутку сили на переміщення. Вона має бути досягнута шляхом впливу. Силовий вплив на речовину супроводжується виконанням роботи.

Сила роботи виражається наступною формулою $A = FScosα$, яка включає величину сили. Сама дія тіла відбувається за зміни швидкості тіла, а також можливої ​​деформації. Це означає, що відбуваються одночасні зміни енергії. Робота сили лежить у прямій залежності від її величини.

Наведемо спочатку визначення найбільш фундаментальних сил, що лежать в основі взаємодії.

Сила тяжіння.Це постійна сила, яка діє будь-яке тіло, що знаходиться поблизу земної поверхні. Модуль сили тяжіння дорівнює вазі тіла.

Досвідом встановлено, що під дією сили тяжіння будь-яке тіло при вільному падінні на Землю (з невеликої висоти і в безповітряному просторі) має те саме прискорення, зване прискоренням вільного падіння, а іноді прискоренням сили тяжіння:

Або. (4.7)

Ці рівності дозволяють, знаючи масу тіла, визначити його вагу (модуль сили тяжіння, що діє на нього) або, знаючи вагу тіла, визначити його масу. Вага тіла або сила тяжіння, як і величина, змінюються зі зміною широти та висоти над рівнем моря; маса є для даного тіла величиною незмінною.

Сила тертя.Так будемо коротко називати силу тертя ковзання, що діє (за відсутності рідкого мастила) на тіло, що рухається по поверхні. Її модуль визначається рівністю:

де f- Коефіцієнт тертя, який вважатимемо постійним; - нормальна сила притискає поверхні, що труться. Більш докладно, дію сил тертя розглянуто у розділі «Статика».

Сила гравітаційного тяжіння.Це сила, з якою два матеріальні тіла притягуються одне до одного за законом всесвітнього тяжіння, відкритому Ньютоном. Сила тяжіння залежить від відстані і двох матеріальних точок з масами m 1і m 2, що знаходяться на відстані rодин від одного, виражається рівністю:

де - гравітаційна стала (у СІ γ = 6,673-10 -11 м 3 / кгс 2).

Сила взаємодії двох точкових зарядіву вакуумі (кулонівська сила) прямо пропорційна добутку зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними:

де k- Коефіцієнт пропорційності, що залежить від системи одиниць,

(У СІ k- 9,0 10 9 Н * м 2 / Кл 2)

Сила пружності.Ця сила також залежить від відстані. Її значення можна визначити виходячи із закону Гука, згідно з яким напруга (сила, віднесена до одиниці площі) пропорційна до деформації. Зокрема, для сили пружності пружини виходить значення:

де l -подовження (або стиснення) пружини; з- так званий коефіцієнт жорсткості пружини (СІ вимірюється в Н/м).

Сила в'язкого тертя.Така сила, яка залежить від швидкості, діє на тіло при його повільному русі в дуже в'язкому середовищі (або за наявності рідкого мастила) і може бути виражена рівністю:

де v- Швидкість тіла; m- Коефіцієнт опору.

Залежність цього виду можна отримати, виходячи із закону в'язкого тертя, відкритого Ньютоном.

Сила аеродинамічного (гідродинамічного) опору.Ця сила також залежить від швидкості і діє на тіло, що рухається в такому, наприклад, середовищі, як повітря або вода. Зазвичай її величину виражають рівністю:

R=0,5с x ρSV 2 , (4.13)

де ρ - Щільність середовища; S- площа проекції тіла на площину, перпендикулярну до напрямку руху (площа міделя); з х -безрозмірний коефіцієнт опору, який визначається зазвичай експериментально і залежить від форми тіла і від того, як воно орієнтоване під час руху; V- Швидкість руху тіла.

У природі існує багато різних видів сил: тяжіння, тяжкості, Лоренца, Ампера, взаємодії нерухомих зарядів і т.д., але вони в кінцевому рахунку зводяться до небагатьох фундаментальних (основних) взаємодій. Сучасна фізика вважає, що існує в природі лише чотири види сил або чотири види взаємодій:

1) гравітаційна взаємодія (здійснюється через гравітаційні поля);

2) електромагнітна взаємодія (здійснюється через електромагнітні поля);

3) ядерне (або сильне) (забезпечує зв'язок частинок в ядрі);

4) слабке (відповідає процеси розпаду елементарних частинок).

У рамках класичної механіки мають справу з гравітаційними та електромагнітними силами, а також з пружними силами та силами тертя.

1. Сила всесвітнього тяжіння. Це сила, з якою два матеріальні тіла притягуються одне до одного. Сила тяжіння залежить від відстані і двох матеріальних точок з масами т 1і т 2що знаходяться на відстані rодин від одного, виражається рівністю

F = G m 1 m 2 /r 2, (3)

де G- гравітаційна постійна (у СІ G= 6,673 10 -11 м 3 /кг із 2).

2. Сила тяжіння. Це постійна сила , діє на будь-яке тіло, що знаходиться поблизу земної поверхні. Зрозуміло, що ця сила є окремим випадком сили всесвітнього тяжіння, тому

F Т = G mМ/R 2 ,(4)

де m- маса тіла, Мі R- Маса і радіус Землі. Величина

g = G М/R 2

називається прискоренням вільного падіння. Тоді

F T = mg. (5)

Сила тяжіння, як і величина g,змінюються зі зміною широти і висоти над рівнем моря, а маса є для даного тіла величиною незмінною. При вирішенні більшості завдань вважають g = 9,8 м/с 2 .

Для експериментального визначення маси даного тіла можна виходити з рівності (1), куди маса входить як міра інертності і називається тому інертною масою. Однак можна виходити з рівності (4), куди маса входить як міра гравітаційних властивостей тіла і називається відповідно гравітаційною масою. У принципі ні звідки не випливає, що інертна і гравітаційна маси є однією й тією ж величиною. Однак цілим рядом експериментів встановлено, що значення обох мас збігаються з дуже високим ступенем точності. Тому в механіці користуються єдиним терміном «маса», визначаючи масу як кількісний захід інертності тіла та його гравітаційних властивостей.

3. Вага тіла. Це сила P, з якою тіло діє на опору або підвіс. Не слід плутати вагу тіла та силу тяжіння, оскільки вони прикладені до різних тіл. Крім того, P = F T = mgлише у стані спокою чи прямолінійного рівномірного руху. При вирішенні завдань Р,як правило, знаходиться за третім законом Ньютона.

4. Сила пружності.

Ця сила виникає в результаті взаємодії тіл, що супроводжується їхньою деформацією. Вона пропорційна величині деформації та спрямована проти деформації.

Зокрема, для сили пружності пружини

F=k , (7)

де подовження (або стиснення) пружини, k -коефіцієнт жорсткості пружини (СІ вимірюється в Н/м).

Сила реакції опори.Спрямована за загальною нормалі до поверхонь тіл, що стикаються, в точці їх торкання і прикладена в цій точці (рис. 6а). Коли одна з поверхонь, що стикаються, є точкою (рис. 6, б), то реакція спрямована по нормалі до іншої поверхні.

мал.6 мал.7

Сила натягу нитки . спрямована вздовж нитки до точки її підвісу(Мал.7).

5. Сила тертя. Так коротко називають силу тертя ковзання,діючу (за відсутності рідкого мастила) на тіло, що рухається. Її модуль визначається рівністю

де µ - Коефіцієнт тертя, який частіше вважають постійним. N- Нормальна реакція. Спрямована проти руху.

6.Сила тертя спокою– це сила, що діє між дотичними тілами, що перебувають у стані спокою, рівна за величиною і протилежно спрямована силі, що примушує тіло до руху.

До виникнення ковзання сила тертя спокою може мати будь-який напрямок і набувати будь-якого значення від нуля до деякого максимального, при якому виникає ковзання: .

Силу тертя спокою, рівну за модулем зовнішньої сили, коли він починається ковзання даного тіла на поверхні іншого, називають максимальною силою тертя спокою.

Французькі фізики Г.Амонтон і Ш.Кулон встановили, що: максимальна сила тертя спокою пропорційна силі реакції опори (нормального тиску) і не залежить від площі дотику тіл, що труться.

де m 0- Коефіцієнт тертя спокою, залежить від фізичної природи дотичних тіл і

7. Сила тертя кочення.При кочуванні тіла на поверхні іншого виникає особлива сила – сила тертя кочення, яка перешкоджає коченню тіла. Сила терня кочення при тих же матеріалах тіл, що стикаються, завжди менше сили терну ковзання. Цим користуються практично, замінюючи підшипники ковзання кульковими чи роликовими підшипниками. Кулон дослідним шляхом встановив для циліндра, що котиться радіуса R: , де m К - коефіцієнт тертя кочення, величина якого зменшується зі збільшенням твердості матеріалу і шорсткості його поверхні. Для обода, що котиться.

8. Сила в'язкого тертя. Така сила, яка залежить від швидкості, діє на тіло при його повільному русі в дуже в'язкому середовищі (або за наявності рідкого мастила) і може бути виражена рівністю

R = ,(8)

де υ - Швидкість тіла, - Коефіцієнт опору.

9. Сила аеродинамічного(гідродинамічного) опору. Ця сила також залежить від швидкості і діє на тіло, що рухається в такому, наприклад, середовищі, як повітря або вода. Зазвичай її величину виражають рівністю

R=0,5c x Sυ 2 ,

де - Щільність середовища; S- площа проекції тіла на площину, перпендикулярну до напрямку руху (площа міделя), з х- безрозмірний коефіцієнт опору, який визначається зазвичай експериментально і залежить від форми тіла і від того, як воно орієнтоване під час руху.

Пружні сили та сили тертя визначаються характером взаємодії між молекулами речовини, що має електромагнітне походження. Отже, вони за своєю природою мають електромагнітні походження. Гравітаційні та електромагнітні сили є фундаментальними – їх не можна звести до інших, простіших сил. Пружні сили та сили тертя не є фундаментальними.

2.3. Перетворення Галілея.

Сили тяжіння (гравітаційні сили).

У системі відліку пов'язаної із Землею, про всяк тіло масою m діє сила: , звана силою тяжкості – сила, з якою тіло притягується із Землею. Під дією сили тяжіння Землі всі тіла падають з однаковим прискоренням, званим прискоренням вільного падіння.

Вага тіла– називається сила, з якою тіло внаслідок тяжіння до Землі діє опору чи натягує нитку підвісу.

Сила тяжіння діє завжди, а вага проявляється лише тоді, коли на тіло, крім сили тяжіння, діють інші сили. Сила тяжкості дорівнює вазі тіла тільки в тому випадку, коли прискорення тіла щодо Землі дорівнює нулю. В іншому випадку, де-прискорення тіла з опорою щодо Землі. Якщо тіло вільно рухається у полі сили тяжіння, то вага дорівнює нулю, тобто. тіло буде невагомим.

Невагомість- це стан тіла, у якому воно рухається лише під впливом сили тяжкості.

Сили пружностівиникають у результаті взаємодії тіл, що супроводжується їхньою деформацією.

Пружна сила пропорційна зсуву частки з положення рівноваги і спрямована до положення рівноваги:

де - радіус-вектор, що характеризує зміщення частинки з положення рівноваги, - еластичність. Прикладом такої сили є сила пружності деформації пружини при розтягуванні чи стисненні.

Сила тертя ковзаннявиникає при ковзанні даного тіла поверхнею іншого:

де k - коефіцієнт тертя ковзання, що залежить від природи і стану дотичних поверхонь; N - сила нормального тиску, що притискає поверхні, що труться один одному.

Сила тертя спрямована по дотичній до поверхонь, що труться, у бік, протилежну руху даного тіла щодо іншого.

§ 13. Енергія. Робота та потужність

Енергія-Це універсальна міра різних форм руху та взаємодії. З різними формами руху матерії пов'язують різні форми енергії: механічну, теплову, електромагнітну, ядерну тощо.

Зміна механічного руху та енергії тіла відбувається у процесі силової взаємодії цього тіла з іншими тілами. Для кількісної характеристики цього процесу в механіці вводять поняття роботи, яка здійснюється силою.

Малюнок 13.1

Якщо сила, що розглядається, постійна, а тіло, до якого вона прикладена, рухається поступально і прямолінійно, то роботою, що здійснюється силою при проходженні тілом шляху, називають величину

де а -кут між силою та напрямком руху тіла.

Малюнок 13.2

Робота- Скалярна величина. Якщо вектор сили вектор переміщень утворюють гострий кут, тобто. , то, якщо, те, тобто. сила, що діє перпендикулярно до переміщення тіла, роботи не виконує.

У випадку тіло може рухатися довільним, досить складним чином (рис.13.2). Виділимо елементарну ділянку колії dS, у якому силу вважатимуться постійної, і переміщення прямолінійним. Елементарна робота на цій ділянці дорівнює

Повна робота на шляху визначається інтегралом

Одиниця роботи – джоуль ( Дж) - робота, що здійснюється силою 1Н на шляху 1м: 1Дж-1Нс.

Малюнок 13.3

Силу , що діє на матеріальну точку, називають консервативною або потенційною, якщо робота , що здійснюється цією силою при переміщенні цієї точки з довільного положення 1 в інше 2, не залежить від того, якою траєкторією це переміщення відбулося:

=

Зміна напрямку руху точки вздовж траєкторії на протилежне викликає зміну знака консервативної сили, оскільки величина змінює знак. Тому при переміщенні матеріальної точки вздовж замкнутої траєкторії, наприклад 1- a-2- b-1 , робота консервативної сили дорівнює нулю

Прикладом консервативних сил можуть бути сили всесвітнього тяжіння, сили пружності, сили електростатичної взаємодії заряджених тіл. Поле, робота сил якого по переміщенню матеріальної точки вздовж довільної замкнутої траєкторії дорівнює нулю, називається потенційним.

Щоб охарактеризувати швидкість роботи, вводять поняття потужності. Потужність дорівнює скалярному добутку вектора сили на вектор швидкості, з якою рухається точка цієї сили.

Одиниця потужності - ват (Вт): 1 Вт – потужність, коли він за час 1с відбувається робота 1 Дж:=1Вт=1Дж/с.

Все, що відбувається у нашому світі, відбувається завдяки впливу певних сил у фізиці. І вивчити кожну з них доведеться, якщо не в школі, то вже в інституті точно.

Звичайно, ви можете спробувати визубрити їх. Але набагато швидше, веселіше і цікавіше буде просто усвідомити суть кожної фізичної сили, як вона взаємодіє з навколишнім середовищем.

Сили у природі та фундаментальні взаємодії

Сил існує безліч. Сила Архімеда, сила тяжіння, сила Ампера, сила Лоренца, Кореоліса, сила тертя-каченнята ін Власне, всі сили вивчити неможливо, тому що не всі вони ще відкриті. Але і це дуже важливо – всі без винятку відомі нам сили можна звести до прояву так званих фундаментальних фізичних взаємодій.

У природі існують 4 фундаментальні фізичні взаємодії.Точніше буде сказати, що людям відомі 4 фундаментальні взаємодії, і на даний момент інших взаємодій не виявлено. Що це за взаємодія?

• Гравітаційна взаємодія
• Електромагнітна взаємодія
• Сильна взаємодія
• Слабка взаємодія

Так, сила тяжкості – прояв гравітаційної взаємодії. Більшість механічних сил (сила тертя, сила пружності) є наслідком електромагнітної взаємодії. Сильна взаємодія утримує нуклони атома ядра разом, не даючи ядру розпастися. Слабка взаємодія змушує розпадатися вільні елементарні частки. При цьому, електромагнітна та слабка взаємодії об'єднані в електрослабка взаємодія.

Можливою п'ятою фундаментальною взаємодією (після відкриття бозона Хіггса) називають поле Хіггса. Але в цій галузі все вивчено настільки мало, що ми не поспішатимемо з висновками, а краще почекаємо, що скажуть нам вчені з ЦЕРНу.

Вчити закони фізики можна двома способами.

Перший- Тупо вивчити значення, визначення, формули. Істотний недолік цього – він навряд чи допоможе відповісти на додаткові питання викладача. Є й інший важливий мінус цього – вивчивши таким чином, ви не отримаєте найголовнішого: розуміння. У результаті, заучування правила/формули/закону чи чого б там не було дозволяє отримати лише неміцні, короткочасні знання на тему.

Другий спосіб- розуміння матеріалу, що вивчається. Але чи так легко зрозуміти те, що зрозуміти (на вашу думку) неможливо?

Є, є вирішення цієї жахливо важкої, але вирішальної проблеми! Ось кілька способів того, як вивчити всі сили у фізиці (і взагалі в будь-якому іншому предметі):

На замітку!

Важливо пам'ятати та знати всі фізичні сили (ну чи вивчити весь список їх у фізиці), щоб уникнути незручних непорозумінь. Пам'ятайте, що маса тіла – це його вага, а міра його інертності. Наприклад, за умов невагомості тіла немає ваги, оскільки відсутня гравітація. А от якщо ви захочете зрушити тіло в невагомості з місця, доведеться вплинути на нього з певною силою. І чим вища маса тіла, тим більшу силу доведеться задіяти.

Якщо вам вдасться уявити, яким чином вага людини може змінюватися в залежності від вибору планети, вам вдасться досить швидко розібратися з поняттям гравітаційної сили, поняттями ваги і маси, силою прискорення та іншими фізичними силами. Це розуміння принесе з собою логічне усвідомлення інших процесів, що відбуваються, і в результаті вам не доведеться навіть заучувати незрозумілий матеріал - ви зможете запам'ятовувати його в міру проходження. Достатньо просто зрозуміти суть.

1. Щоб зрозуміти електромагнітний вплив, достатньо буде просто зрозуміти, яким чином струм протікає по провіднику і які при цьому утворюються поля, як ці поля взаємодіють з одним. Розгляньте це на найпростіших прикладах, і вам не важко розбиратися в принципах роботи електродвигуна, принципах горіння електричної лампочки та ін.

Викладача в першу чергу хвилюватиме те, наскільки добре ви знаєте вивчений матеріал. І не так вже й важливо, чи будете ви пам'ятати назубок усі формули. А у разі вирішення контрольних, лабораторних, завдань, практичних робіт чи купити РГР вам завжди зможуть допомогти наші фахівці, сила яких таїться у знаннях та багаторічному практичному досвіді!