Взаимодействие тел — Гипермаркет знаний. Доклад: Взаимодействие тел и законы Ньютона
Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу. Это притяжение называют гравитационным взаимодействием.
Очень часто при взаимодействии тел не указывают, какое именно тело действует на тело, которое мы рассматриваем. В таком случае говорят, что на тело действует сила. В результате действия силы тело изменяет свою скорость.
Сила — это физическая величина, количественно характеризующая действие одного тела на другое. В Системе Интернациональной сила измеряется в ньютонах. Кроме числового значения, сила и направление. Такие величины, которые, кроме числового значения, имеют направление, называют векторными величинами. Сила — векторная величина.
Примером гравитационных сил сила притяжения тела к Земле. Закон, описывающий взаимодействие тел во Вселенной, сформулировал великий английский ученый Исаак Ньютон. Этот закон утверждает, что значение гравитационной силы зависит от массы тел, которые взаимодействуют, и расстояния между ними.
Для людей важнейшее значение имеет сила тяжести. Это сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Сила тяжести всегда направлена к центру Земли. На опыте установлено, что сила притяжения прямо пропорциональна массе тела.
Существует гипотеза, что ранее на Луне, как и на Земле, была атмосфера. Но благодаря тому, что сила тяжести на Земле больше, чем на Луне, весь воздух Луны Земля «перетянула» к себе.
Кроме гравитационного, существуют другие виды взаимодействия: электрическая и магнитная. В повседневной жизни мы часто можем наблюдать электрические явления. Еще древнегреческие ученые заметили, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойства притягивать мелкие предметы. С греческого янтарь — электрон, так и явления называют электрическими. Примером электрической взаимодействия является привлечение небольших кусочков бумаги к наэлектризованной тела,
Явление, в результате которого тела приобретают свойства притягивать другие предметы, называют электризацией тел. Примером магнитного взаимодействия является взаимодействие магнита с металлическими предметами.
Тела, которые длительное время сохраняют намагниченность, называются постоянными магнитами или просто магнитами.
Первой крупной работой, посвященной исследованию магнитных явлений, была работа Уильяма Гилберта «О магните, магнитных тела и о большом магните — Земле». В этой работе Гилберт сформулировал основные свойства магнитов:
— Различные части магнита по-разному притягивают железные предметы; сильнее притягивают полюсы магнита (те места магнита, где выявляются наиболее сильные магнитные действия, называются полюсами магнитов);
— Магнит всегда имеет два полюса: северный и южный; нельзя получить магнит с одним полюсом;
— Разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные — отталкиваются;
— Подвешенный на нитке магнит размещается так, что указывает на север и на юг;
— Земля является гигантским магнитом.
Энергия
Механическая работа выполняется тогда, когда на тело действует сила и тело под действием этой силы движется. Для неподвижного тела механическая работа не выполняется, но есть возможность ее выполнения. Физическую величину, которая характеризует способность тела выполнять работу, называют энергией тела. Чем большую работу может выполнить тело, тем большую энергию она имеет. Существует много видов энергии: механическая, электрическая, тепловая, химическая, звуковая, световая. В природе, технике и быту можно наблюдать превращение одного вида энергии в другой. Энергия может и передаваться от одного тела к другому.
Энергия из ничего не возникает и не исчезает бесследно, она только превращается из одного вида в другой или передается от одного тела другому. Это и есть закон сохранения энергии, который открыл немецкий ученый Майер и английский ученый Джоуль.
Майер сформулировал закон сохранения энергии с позиции врача-естествоиспытателя. Его внимание привлекли к себе явления, происходящие в организме человека. Ученый заметил разницу цвета венозной крови людей в странах умеренных и тропических поясов и пришел к выводу, что эта разница объясняется объемами потребления кислорода. Чем ближе к экватору, тем кровь человека становится более красной.
Определение 1
Взаимодействие в физике - это воздействие частиц или тел друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.
Изменение состояния тел в пространстве
Несмотря на разнообразие воздействий тел друг на друга, в природе имеется лишь четыре типа фундаментальных воздействия:
- гравитационные;
- слабые взаимодействия;
- сильные взаимодействия;
- электромагнитные взаимодействия.
Любые изменения в природе происходят в результате взаимодействия между телами. Чтобы изменить положение вагона на рельсах, железнодорожники направляют к нему локомотив, который смещает вагон с места и приводит его в состояние движения. Парусник может длительное время стоять у берега, пока не подует попутный ветер, который подействует на его паруса. Колеса игрушечной машины могут вращаться с любой скоростью, но игрушка не изменит своего положения, если под нее не подложить дощечку или линейку. Форму или размер пружины можно изменить, лишь подвесив к ней грузило или потянув рукой за один из ее концов.
Все тела в природе действуют один на другого или непосредственно через физические поля. Если тепловоз действует на вагон и меняет его скорость, то скорость тепловоза при этом также меняется в результате обратного действия вагона. Солнце действует на Землю и тела, удерживая ее на орбите. Но и Земля притягивает Солнце, и в свою очередь меняет его траекторию. Итак, во всех случаях можно говорить лишь о взаимном действие тел - взаимодействие.
При взаимодействии меняются скорости тел или их частей. С другой стороны, взаимодействуя с разными телами, оно по-разному будет изменять свою скорость. Так, парусник может приобрести скорости из-за действия на него ветра. Но такого же результата можно достигнуть, включив двигатель, размещенный на паруснике. Его может сдвинуть с места и катер, действующий на парусник через трос. Чтобы не называть каждый раз все взаимодействующие тела, или тела, которые действуют на данное него, все эти действия объединяют одним понятие силы.
Что такое сила?
Сила, воспринимая его как физическое понятие может быть большей или меньшей, а также учитывая вызванные ею изменения в состоянии тела или его частей.
Определение 2
Сила – это физическая величина, которая характеризуется как действие одного тела на другое.
Действие тепловоза на вагон будет значительно интенсивней, чем действие нескольких грузчиков. Под действием тепловоза вагон быстрее сдвинется с места и начнет двигаться с большей скоростью, чем тогда, когда вагон будут толкать грузчики, которые чуть сместят вагон или вовсе не сдвинут с места.
Для того чтобы производить математические расчеты, силу обозначают латинской буквой $F$.
Как и все остальные физические величины, сила имеет определенные единицы. В наши дни наука пользуется единицей, которая называется ньютоном ($H$). Она получила такое название в честь ученого Исаака Ньютона, который внес значительный вклад в развитие физической и математической науки.
И. Ньютон - выдающийся английский ученый, основатель классической физики. Его научные работы касаются механики, оптики, астрономии и математики. Он сформулировал законы классической механики, открыл дисперсии света, разработал дифференциальный и интегральное исчисления и т.д.
Измерение силы
Для измерения силы применяют специальные приборы, которые называются динамометрами. Стоит отметить, что указать числовое значение силы не всегда достаточно для определения данных ее действия. Нужно знать точку ее приложения и направление действия.
Если высокий брусок, что стоит на столе, толкать в нижней части, то он будет скользить на поверхности стола. Если же к нему прилагать силу в верхней его части, то он просто опрокинется.
Понятно, что направление падения бруска зависит от того, в каком направлении будем его толкать. Итак, сила это также направление. От направления силы зависит изменение скорости тела, на которые эта сила действует.
Пользуясь графическом методом, можно проводить различные математические операции с силами. Так, если в одной точке на теле прилагаемые силы $2H$ и $CH$ действуют в одном направлении, то их действие можно заменить одной силой, которая работает в том же направлении, а ее значение равняется сумме значений каждой из сил. Вектор этой силы имеет длину, которая равняется сумме длин обоих векторов.
Равнодействующая сила - это сила, действие которой одинаково действует на нескольких сил, приложенных к телу в определенной точке.
Возможен иной случай, когда силы прилагаемые в одной точке тела, действуют в противоположных напрямую. В таком случае их можно заменить одной силой, движущейся в направлении большей силы, а ее значение равняется разности значений каждой силы. Длина вектора этой силы равняется разницей длины векторов прилагаемых сил.
Инерция - это явление сохранения телами постоянной скорости, когда на них не действуют другие тела. Состоит данное явление в том, что для изменения скорости тела требуется определенное время. Инерцию нельзя измерить, ее можно только наблюдать, или воспроизвести.
Заметим, что в земных условиях нельзя создать обстоятельства, при которых на тело не действуют силы, ведь всегда существует земное притяжение, сила сопротивления двигательные и тому подобное. Явление инерции открыл известный ученый Галилео Галилей.Стоит отметить, что для прямого измерения массы применяют различные весы. Среди них самые распространенные и самые простые - рычажные. На этих весах сравнивают взаимодействие с Землей тела и эталонных гирь, возложенных на чашу весов. На практике применяют и другие весы, которые приспособлены к различным условиям работы и имеют разные конструкции. В данном случае, точность измерения массы имеет большое значение.
Давление – это скалярная величина, которая равна отношению силы, которая действует перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.
S — площадь поверхности или опоры тела;
F — сила давления (любая сила, которая действует на тело перпендикулярно поверхности, чаще всего это вес тела).
Единица давления – паскаль (Па). Названа в честь французского учёного Блеза Паскаля.
[р] = 1 Па = 1Н/м 2
Паскаль – давление, которое создаёт нормальная сила в 1 Н на площадь 1 м 2 .
Из формулы видно, что результат действия силы на поверхность зависит не только от ее величины, но и от площади опоры давящего тела. На картинке видно, что человек в ботинках идёт по снегу, глубоко проваливаясь при каждом шаге. Но если он наденет лыжи, то может идти не проваливаясь в снег. На лыжах и без человек действует на снег с одной и той же силой, которая равна его весу. Но действие этой силы различно в обоих случаях, потому что различна площадь поверхности, на которую давит человек.
Площадь подошвы примерно в 10 раз меньше площади поверхности лыжи, поэтому человек на лыжах давит на каждый квадратный сантиметр площади поверхности снега с силой в десять раз меньшей.
Задача
Расчитайте давление конькобежца массой 60 кг на лёд, если ширина лезвия конька 4 мм, а длина лезвия, соприкасающегося со льдом, 30 см? Конькобежец стоит на обоих ногах.
На практике используются также единицы давления килопаскали (кПа)
и гектопаскали (гПа):
1 кПа = 1000 Па
1 гПа = 100 Па
Если на середину доски, лежащей горизонтально на двух опорах поставить груз, то под действием силы тяжести некоторое время груз будет двигаться вниз, прогибая доску, а затем остановится.
Эту остановку можно объяснить тем, что кроме силы тяжести, направленной вниз, на доску подействовала другая сила, направленная вверх. При движении вниз доска деформируется, при этом возникает сила, с которой опора действует на тело, лежащее на ней, эта сила направленна вверх, то есть в сторону, противоположную силе тяжести. Такую силу называют силой упругости . Когда сила упругости становится равной силе тяжести, действующей на тело, опора и тело останавливаются.
Сила упругости — это сила, возникающая при деформации тела (то есть при изменении его формы, размеров) и всегда направлена в сторону, противоположную деформирующей силы.
Причина возникновения силы упругости
Причиной возникновения сил упругости является взаимодействие молекул тела . На малых расстояниях молекулы отталкиваются, а на больших – притягиваются. Конечно речь идёт о расстояниях сравнимых с размерами самих молекул.
В недеформированном теле молекулы находятся на таком расстоянии, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. При деформации тела (при растяжении или сжатии) расстояния между молекулами изменяются – начинают преобладать либо силы притяжения, либо – отталкивания. В результате и возникает сила упругости, которая всегда направлена так, чтобы уменьшить величину деформации тела .
Закон Гука
Если к пружине повесить одну гирьку, то мы увидим, что пружина деформировалась — удлинилась на некоторую величину х . Если к пружине подвесить две одинаковые гирьки, то увидим, что удлинение стало в два раза больше. Удлинение пружины пропорционально силе упругости.
Сила упругости, возникающая при деформации тела, по модулю пропорциональна удлинению тела и направлена так, что стремится уменьшить величину деформации тела.
Закон Гука справедлив только для упругих деформаций, то есть таких видов деформации, которые исчезают, когда деформирующая сила перестаёт действовать!!!
Закон Гука можно записать в виде формулы:
где k — жёсткость пружины;
х
— удлинение пружины (равно разнице конечной и начальной длине пружины);
знак «–» показывает, что сила упругости всегда направлена в противоположную сторону деформирующей силы.
«Разновидности» силы упругости
Силу упругости, которая действует со стороны опоры, называют силой нормальной реакции опоры . Нормальная от слова «нормаль», то есть реакция опоры всегда перпендикулярна поверхности.
Силу упругости, которая действует со стороны подвеса, называют силой натяжения нити (подвеса) .
В окружающем нас мире действие одного тела на другое не может быть односторонним. Существует только .
Что является результатом взаимодействия?
1. изменение скорости тела;
2. .
Рассмотрим явление, в результате которого тело меняет свою скорость
.
Тележка находится в состоянии покоя относительно стола. Прикрепим к тележке упругую пластину, которая согнута и связана нитью. Если эту нить разрезать, то пластина резко выпрямится, но тележка останется на прежнем месте.
Если поставить рядом от согнутой пластины ещё одну такую же тележку, то после разрезания нити обе тележки придут в движение и разъедутся в разные стороны.
То есть для изменения скорости тележки потребовалось второе тело — вторая тележка.
При взаимодействии тел изменяются скорости тел.
Рассмотрим случаи, когда результатом взаимодействия тел является деформация тел.
На первом рисунке приведён пример, когда теннисный мяч взаимодействует с ракеткой. При этом происходит деформация как сетки ракетки, так и самого мяча.
На втором рисунке показано, что если сжимать тело, то оно при этом деформируется, также как и пальцы руки.
На третьем рисунке показана деформация сетки батута.
При взаимодействии результат зависит от того, на сколько «сильным» будет взаимодействие: сильнее толнёте тележку — тележка наберёт бОльшую скорость; сильнее ударите по мячу — сильнее его «деформируете» и мяч наберёт большую скорость и т.д.
Для количественного определения меры действия одного тела на другое служит физическая величина — сила .
Деформация — это изменение размеров или формы тела.
При контакте взаимодействующих тел приходят в движение отдельные части тела, вследствие чего оба тела деформируются. В зависимости от того как именно части тела смещаются относительно друг друга, различают деформации растяжения, сжатия, кручения, изгиба, сдвига.
Деформация продолжается до тех пор, пока возникшая не уравновесит внешние силы — тогда движение частей тела прекратится.
Плотность — физическая величина, характеризующая физические свойства вещества, которая равна отношению массы тела к занимаемому этим телом объёму.
Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) можно расчитать по формуле:
[ρ] = кг/м³; [m] = кг; [V] = м³.
где m - масса тела, V - его объём; формула является просто математической записью определения термина «плотность».
Все вещества состоят из молекул, следовательно масса всякого тела складывается из масс его молекул. Это подобно тому, как масса пакета с конфетами складывается из масс всех конфет в пакете. Если все конфеты одинаковы, то массу пакета с конфетами можно было бы определить, умножив массу одной конфеты на число конфет в пакете.
Молекулы чистого вещества одинаковы. Поэтому масса капли воды равна произведению массы одной молекулы воды на число молекул в капле.
Плотность вещества показывает, чему равна масса 1 м³ этого вещества.
Плотность воды равна 1000 кг/м³, значит, масса 1 м³ воды равна 1000 кг. Это число можно получить, умножив массу одной молекулы воды на число молекул, содержащихся в 1 м³ его объёма.
Плотность льда равна 900 кг/м³, это означает, что масса 1 м³ льда равна 900 кг.
Иногда используют единицу измерения плотности г/см³, поэтому ещё можно сказать, что
масса 1см³ льда
равна 0,9
г.
Каждое вещество занимает некоторый объём. И может оказаться, что объёмы двух тел равны
, а их массы различны. В этом случае говорят, что плотности этих веществ различны.
Также при равенстве масс двух тел их объёмы будут различны. Например, объём льда почти в 9 раз больше объёма железного бруса.
Плотность вещества зависит от его температуры.
При повышении температуры обычно плотность уменьшается. Это связано с термическим расширением, когда при неизменной массе увеличивается объём.
При уменьшении температуры плотность увеличивается. Хотя существуют вещества, плотность которых в определённом диапазоне температур ведёт себя иначе. Например, вода, бронза, чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого значения.
При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, висмут и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, так как их плотность при затвердевании уменьшается.
Решение задач
Задача №1.
Прямоугольная металлическая пластинка длиной 5 см, шириной 3 см и толщиной 5 мм имеет массу 85 г. Из какого материала она может быть иготовлена?
Анализ физической проблемы.
Чтобы ответить на поставленный вопрос, необходимо определить плотность вещества, из которого изготовлена пластинка. Затем, воспользовавшись таблицей плотностей, определить – какому веществу соответствует найденое значение плотности. Эту задачу можно решить в данных единицах (т.е. без перевода в СИ).
Задача №2.
Медный шар объёмом 200 см 3 имеет массу 1,6 кг. Определите, цельный этот шар или пустой. Если шар пустой, то определите объём полости.
Анализ физической проблемы.
Если объём меди меньше объёма шара V мед 
Задача №3.
Канистра, которая вмещает 20 кг воды, наполнили бензином. Определите массу бензина в канистре.
Анализ физической проблемы.
Для определения массы бензина в канистре нам необходимо найти плотность бензина и ёмкость канистры, которая равна объёму воды. Объём воды определим по её массе и плотности. Плотность воды и бензина найдём в таблице. Задачу лучше решать в единицах СИ.
Задача №4.
Из 800 см 3 олова и 100 см 3 свинца изготовили сплав. Какова его плотность? Каково отношение масс олова и свинца в сплаве?
Все физические тела вокруг нас обладают некоторыми общими свойствами. Одним из таких свойств является свойство тел притягиваться к другим телам благодаря гравитационному взаимодействию. Мерой этого свойства является физическая величина, которая называется массой тел .
Также ни одно из тел не может изменить скорость своего движения мгновенно. В результате одинакового воздействия одни тела изменяют свою скорость достаточно быстро, а другие — намного медленнее. Например, чтобы придать определённоую скорость тенисному мячу, нужно меньше времени, чем для придания такой же скорости металлическому шару. В таком случае говорят, что металлический шар более инертный. Мерой такого свойства тела как инетртность является — масса .
Таким образом, масса тела – это физическая величина, которая является мерой инертного и гравитационного свойств тела.
Понятие массы – одно из самых сложных в физике, и при дальнейшем изучении физики это понятие будет расширяться.
На данный момент достаточно уяснить, что каждое физическое тело – человек, пушинка, Луна, микрочастица и т.д. – имеет массу.
Измерение массы
Поскольку масса – физическая величина, то её можно измерить. Чтобы измерить массу любого тела, его необходимо сравнить с телом, массу которого взята за единицу.
За единицу массы в Международной системе единиц (СИ) взят килограмм.
[m] = 1 кг
Кроме килограмма, допускается использование при необходимости, других единиц массы: тонны (т), центнера (ц), грамма (г), миллиграмма (мг)
Кратные единицы:
1 т = 1000 кг
1 ц = 100 кг
1 кг = 1000 г
Дольные единицы:
1 г = 0,001 кг
1 мг = 0,001 г
1 мг = 0,000 001 кг
Поскольку масса — это одна из основных единиц СИ, поэтому для неё существует эталон. Эталон массы был создан в 1880 году и представлял собой 1 л чистой воды при температуре +4ºС. Однако такой эталон был неудобен. Эталон килограмма изготовлен из платиново-иридиевого сплава, имеет форму цилиндра высотой 39 мм и диаметром 39 мм.
Хранится во Франции, в городе Севре в Международном бюро мер и весов. С эталона изготовлены точные копии, которые есть во многих странах, в частности в Украине (в г. Харькове в Национальном научном центре «Институт метрологии»).
Прибор для измерения массы тела называют весами
.
Правила взвешивания
1. Уравновесить весы.
2. Положить взвешиваемое тело на левую чашку весов, а гири – на правую.
3. Добиться равновесия весов с телом и гирями на чашках.
4. Взвешиваемое тело и гири опускать на чашки осторожно.
5. Взвешивать грузы массой, не превышающей предельную нагрузку.
6. Мелкие гири брать пинцетом.
При измерении массы сыпучего вещества на чаши весов подложить бумагу для избежания загрязнения чаши.
Взаимодействие тел. Опыт показывает, что при сближении тел (или систем тел) характер их поведения меняется. Поскольку эти изменения носят взаимный характер, говорят, что тела взаимодействуют друг с другом . При разведении тел на очень большие расстояния (на бесконечность) все известные на сегодняшний день взаимодействия исчезают.
Галлилей первым
дал правильный ответ на вопрос, какое
движение характерно для свободных
(т.е. не
взаимодействующих тел). Вопреки
существующему тогда мнению, что свободные
тела “стремятся” к состоянию покоя
(),
он утверждал, что при отсутствии
взаимодействия тела находятся в состоянии
равномерного движения (
),
включающего покой как частный случай.
Инерциальные системы отсчета. В рамках формального математического подхода, реализуемого в кинематике, утверждение Галилея выглядит бессмысленным, поскольку равномерное в одной системе отсчета движение может оказаться ускоренным в другой, которая “ничем не хуже” исходной. Наличие взаимодействия позволяет выделить особый класс систем отсчета, в которых свободные тела движутся без ускорения (в этих системах большинство законов природы имеют наиболее простую форму). Такие системы называются инерциальными.
Все инерциальные системы эквивалентны друг другу, в любой из них законы механики проявляются одинаково. Это свойство было также отмечено Галилеем в сформулированном им принципе относительности: никаким механическим опытом в замкнутой (т.е. не сообщающейся с внешним миром) системе отсчета невозможно установить покоится ли она или равномерно движется. Любая система отсчета, равномерно движущаяся относительно инерциальной тоже является инерциальной.
Между инерциальными и неинерциальными системами отсчета существует принципиальное отличие: находящийся в замкнутой системе наблюдатель способен установить факт движения с ускорением последних, “не выглядывая наружу”(напр. при разгоне самолета пассажиры ощущают, что их “вдавливает” в кресла). В дальнейшем будет показано, что в неинерциальных системах геометрия пространства перестает быть евклидовой.
Законы Ньютона как основа классической механики. Сформулированные И.Ньютоном три закона движения в принципе позволяют решить основную задачу механики , т.е. по известным начальному положению и скорости тела определить его положение и скорость в произвольный момент времени.
Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета.
Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах ускорение тела пропорционально приложенной силе , физической величине, являющейся количественной мерой взаимодействия. Величину силы, характеризующей взаимодействие тел, можно определить, например, по деформации упругого тела, дополнительно введенного в систему так, что взаимодействие с ним полностью компенсирует исходное. Коэффициент пропорциональности между силой и ускорением называют массой тела :
(1) F= ma
Под действием одинаковых сил тела с большей массой приобретают меньшие ускорения. Массивные тела при взаимодействии в меньшей степени меняют свои скорости, “стремясь сохранить естественное движение по инерции”. Иногда говорят, что масса является мерой инертности тел (рис. 4_1).
К классическим свойствам массы следует отнести 1) ее положительность (тела приобретают ускорения в направлении приложенных сил), 2) аддитивность (масса тела равна сумме масс его частей), 3) независимость массы от характера движения (напр. от скорости).
Третий закон утверждает, что взаимодействия оба объекта испытывают действия сил, причем эти силы равны по величине и противоположно направлены.
Типы фундаментальных взаимодействий. Попытки классификации взаимодействий привели к идее выделения минимального набора фундаментальных взаимодействий , при помощи которых можно объяснить все наблюдаемые явления. По мере развития естествознания этот набор менялся. В ходе экспериментальных исследований периодически обнаруживались новые явления природы, не укладывающиеся в принятый фундаментальный набор, что приводило к его расширению (например, открытие структуры ядра потребовало введения ядерных сил). Теоретические же осмысление, вцелом стремящееся к единому, максимально экономному описанию наблюдаемого многообразия, неоднократно приволило к “великим объединениям” внешне совершенно несхожих явлений природы (ньютон понял,что падение яблока и движение планет вокруг Солнца являются результатами проявления гравитационных взаимодействий, Эйнштейн установил единую природу электрических и магнитных взаимодействий, Бутлеров опроверг утверждения о различной природе органических и неорганических веществ).
В настоящее время принят набор из четырех типов фундаментальных взаимодействий :гравитационные, электромагнитные, сильное и слабые ядерные . Все остальные, известные на сегодняшний день, могут быть сведены к суперпозиции перечисленных.
Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мега-мире).
Электромагнитные взаимодействия обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Играют доминирующую роль в макро мире и микромире вплоть на расстояниях, превосходящих характерные размеры атомных ядер.
Ядерные взаимодействия играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра, где классическое описание заведомо неприменимо.
В настоящее время стали весьма популярны рассуждения о биополе , при помощи которого “объясняется” ряд не очень надежно установленных на эксперименте явлений природы, связанных с биологическими объектами. Серьезное отношение к понятию биополя зависит от того, какой конкретный смысл. Вкладывается в этот термин. Если понятие биополя используется для описания взаимодействий с участием биологических объектов, сводящихся к четырем фундаментальным, такой подход не вызывает принципиальных возражений, хотя введение нового понятия для описания “старых” явлений противоречит общепринятой в естествознании тенденции к минимизации теоретического описания. Если же под биополем понимается новый тип фундаментальных взаимодействий, проявляющийся на макроскопическом уровне (возможности существования которого априорно, очевидно, отрицать бессмысленно), то для столь далеко идущих выводов необходимы очень серьезные теоретические и экспериментальные обоснования, сделанные на языке и методами современного естествознания, которые до настоящего времени представлены не были.
Законы Ньютона и основная задача механики. Для решения основной задачи механики (определение положения тела в произвольный момент времени по известным начальному положению и скорости) достаточно найти ускорение тела как функцию времени a (t). Эту задачу решают законы Ньютона (1) при условии известных сил. В общем случае силы могут зависеть от времени, положения и скорости тела:
(2) F=F (r,v, t) ,
т.е. для нахождения ускорения тела необходимо знать его положение и скорость. Описанная ситуация в математике носит название дифференциального уравнения второго порядка :
(3)
,
(4)
В математике показывается, что задача (3-4) при наличии двух начальных условий (положение и скорость в начальный момент времени) всегда имеет решение и притом единственное . Т.о. основная задача механики в принципе всегда имеет решение, однако найти его часто бывает весьма трудно.
Детерминизм Лапласа . Немецкий математик Лаплас применил аналогичную теорему о существовании и единственности решения задачи типа (3-4) для системы из конечного числа уравнений для описания движения всех взаимодействующих друг с другом частиц реального мира и пришел к выводу о принципиальной возможности расчета положения всех тел в любой момент времени. Очевидно, что это означало возможность однозначного предсказанная будущего (хотя бы в принципе) и полную детерменированность (предопределенность) нашего мира. Сделанное утверждение, носящее скорее философский, а не естественно научный характер, получило название детерминизма Лапласа . При желании из него можно было сделать весьма далеко идущие философские и социальные выводы о невозможности влиять на предопределенный ход событий. Ошибочность этого учения состояла в том, что атомы или элементарные частицы (“материальные точки”, из которых составлены реальные тела) на самом деле не подчиняются классическому закону движения (3), верному лишь для макроскопических объектов (т.е. обладающих достаточно большими массами и размерами). Правильное с точки зрения сегодняшней физики описание движения во времени микроскопических объектов, какими являются составляющие макроскопические тела атомы и молекулы, дается уравнениями квантовой механики, , позволяющими определить только вероятность нахождения частицы в заданной точке, но принципиально не дающего возможности расчета траекторий движения для последующих моментов времени.
Как утверждает классическая физика, в известном нам мире постоянно происходит взаимодействие тел, частиц между собой. Даже если мы наблюдаем объекты, находящиеся в покое, это не означает, что ничего не происходит. Именно благодаря удерживающим силам между молекулами, атомами и элементарными частицами вы можете видеть предмет в виде доступной нам и понятной материи физического мира.
Взаимодействие тел в природе и жизни
Как мы знаем из собственного опыта, когда падаешь на что-то, бьёшься, с чем-то сталкиваешься, это оказывается неприятно и больно. Толкаете машину или в вас врезается зазевавшийся прохожий. Тем или иным образом вы вступаете во взаимодействие с окружающим миром. В физике данное явление получило определение "взаимодействие тел". Рассмотрим подробно, на какие виды подразделяет их современная классическая наука.
Виды взаимодействия тел
В природе существует четыре вида взаимодействия тел. Первое, всем известное, это гравитационное взаимодействие тел. Масса тел является определяющей в том, насколько сильна гравитация.
Она должна быть достаточно огромных масштабов, для того чтобы мы её смогли заметить. В противном случае наблюдение и регистрация данного вида взаимодействия достаточно затруднительны. Космос является тем местом, где силы гравитации вполне возможно наблюдать на примере космических тел с огромной массой.
Взаимозависимость между гравитацией и массой тела
Непосредственно энергия взаимодействия тел прямо пропорциональна массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Это согласно определению современной науки.
Притяжение вас и всех предметов на нашей планете обусловлено тем, что существует сила взаимодействия двух тел, обладающих массой. Поэтому подкинутый вверх предмет притягивается назад к поверхности Земли. Планета достаточно массивна, поэтому сила действия ощутима. Гравитация вызывает взаимодействие тел. Масса тел даёт возможность её проявления и регистрации.
Природа гравитации не ясна
Природа этого явления на сегодня вызывает множество споров и предположений, кроме фактического наблюдения и видимой взаимосвязи между массой и притяжением, не выявлена сила, вызывающая гравитацию. Хотя на сегодня проходит ряд экспериментов, связанных с обнаружением гравитационных волн в космическом пространстве. Более точное предположение в своё время высказал Альберт Эйнштейн.
Он сформулировал гипотезу, что гравитационная сила является порождением искривления ткани пространства-времени расположенными в нем телами.
Впоследствии, при вытеснении пространства материей, оно стремится восстановить свой объем. Эйнштейн предположил, что существует обратно пропорциональная зависимость между силой и плотностью материи.
Примером наглядной демонстрации этой зависимости могут служить чёрные дыры, имеющие немыслимую плотность материи и гравитацию, способную притянуть не только космические тела, но и свет.
Именно благодаря влиянию природы гравитации сила взаимодействия тел обеспечивает существование планет, звёзд и прочих космических объектов. Кроме этого, вращение одних объектов вокруг других присутствует по этой же причине.
Электромагнитные силы и прогресс
Электромагнитное взаимодействие тел несколько напоминает гравитационное, но намного сильнее. Взаимодействие положительно и отрицательно заряженных частиц является причиной его существования. Собственно, это и вызывает возникновение электромагнитного поля.
Оно генерируется телом (телами) либо поглощается или вызывает взаимодействие заряженных тел. Этот процесс играет очень важную роль в биологической деятельности живой клетки и перераспределении веществ в ней.
Помимо этого, наглядным примером электромагнитного проявления сил является обычный электрический ток, магнитное поле планеты. Человечество достаточно обширно применяет эту силу для передачи данных. Это мобильная связь, телевидение, GPRS и многое другое.
В механике это проявляется в виде упругости, трения. Наглядный эксперимент, демонстрирующий наличие данной силы, всем известен из школьного курса физики. Это натирание шёлковой тканью эбонитовой полочки. Возникшие на поверхности частицы с отрицательным зарядом обеспечивают притяжение лёгких предметов. Повседневный пример - это расчёска и волосы. После нескольких движений пластмассой по волосам возникает притяжение между ними.
Стоит упомянуть о компасе и магнитном поле Земли. Стрелка намагничена и имеет концы с положительно и отрицательно заряженными частицами, как следствие, реагирует на магнитное поле планеты. Поворачивается своим "положительным" концом по направлению отрицательных частиц и наоборот.
Малы размеры, но огромна сила
Что касается сильного взаимодействия, то его специфика несколько напоминает электромагнитный вид сил. Причиной тому служит наличие положительных и отрицательно заряженных элементов. Подобно электромагнитной силе, наличие разноимённых зарядов приводит к взаимодействию тел. Масса тел и расстояние между ними очень малы. Это область субатомного мира, где подобные объекты именуются частицами.
Эти силы действуют в области атомного ядра и обеспечивают связь между протонами, электронами, барионами и прочими элементарными частицами. На фоне их размеров, по сравнению с большими объектами, взаимодействие заряженных тел значительно сильнее, чем при электромагнитном типе сил.
Слабые силы и радиоактивность
Слабый вид взаимодействия связан непосредственно с распадом неустойчивых частиц и сопровождается высвобождением разного вида излучения в виде альфа-, бета- и гамма-частиц. Как правило, вещества и материалы с подобными характеристиками называют радиоактивными.
Этот вид сил называется слабым вследствие того, что слабее электромагнитного и сильного типа взаимодействия. Однако он мощнее, чем гравитационное взаимодействие. Дистанции в данном процессе между частицами весьма малы, порядка 2·10 −18 метров.
Факт обнаружения силы и определения её в ряд фундаментальных произошёл достаточно недавно.
С открытием в 1896 году Анри Беккерель явления радиоактивности веществ, в частности солей урана, было положено начало изучения этого вида взаимодействия сил.
Четыре силы создали Вселенную
Вся Вселенная существует благодаря четырём фундаментальным силам, открытым современной наукой. Они породили космос, галактики, планеты, звезды и различные процессы в том виде, в каком мы это наблюдаем. На данном этапе считается полным определение фундаментальных сил в природе, но, возможно, со временем мы узнаем о наличии новых сил, и знание природы мироздания станет на шаг ближе к нам.
