Взаємодія тіл. Сила. Види сил в механіці

Взаємодія тіл. Взаємодія тіл і прискорення. Інертність. Маса тіл. Еталон маси. Сила – кількісна міра взаємодії тіл. Сили в природі. Види сил у механіці.

Що ми розуміємо під взаємодією тіл? Це, як правило, дія, вплив одного тіла на інше, внаслідок чого змінюються характеристики руху тіл.

Взаємодія тіл. Звичними для вас є взаємодії, під час яких рух тіл змінюється внаслідок їх зіткнення. Футбольний м’яч рухається внаслідок удару по ньому ногою, двері відчиняються від взаємодії з рукою, катаючись на роликах ви відштовхуєтесь від асфальтової поверхні, до якої дотикаються ковзани. Тож взаємодія відбувається, коли стикаються два рухомі тіла, або рухоме тіло з нерухомим.

Разом із тим, у природі є багато прикладів взаємодій, під час яких тіла не дотикаються одне до одного. Подібним чином взаємодіють магніт та рухома металева кулька, що відхиляється від прямолінійної траєкторії внаслідок магнітної дії, наелектризовані султани, планети з Сонцем (мал. 2.16).

Взаємодія тіл і прискорення. Що саме є ознакою взаємодії тіл? Які характеристики змінюються, коли тіла взаємодіють одне з одним? Кажуть, що відбулася взаємодія, якщо змінився рух, тобто швидкість тіл, що взаємодіяли. Зміна швидкості руху взаємодіючих тіл зумовлена тим, що вони отримали деякі прискорення.

Розглянемо взаємодію двох металевих кульок від шарикопідшипника. Одну розташуємо нерухомо на столі, а іншу приведемо в рух з деякою швидкістю, напрямленою вздовж лінії, яка сполучає центри куль (мал. 2.17). Коли кульки зіткнуться, швидкість першої (нерухомої) кульки зросте, а другої – зменшиться. Отже, кульки отримали протилежні за напрямом прискорення.

Щоб забити цвях, ми вдаряємо по його шапці молотком. Розглядаючи взаємодію цвяха з молотком (мал. 2.18), побачимо, що після взаємодії цвях почне рухатися, отримавши деякі прискорення, а молоток зупиняється (а іноді, якщо поверхня, куди забивається цвях занадто щільна, може відскочити), отримавши протилежне за напрямом прискорення. Отже, за певних умов можна досягти того, що після взаємодії нерухоме тіло починає рухатися, а рухоме зупиняється або змінює напрям свого руху.

Розглянуті досліди підтверджують те, що прискорення тіл, які взаємодіють, мають протилежні напрями. Як при цьому змінюються абсолютні значення (модулі) прискорень? Модулі прискорень тіл, що взаємодіють, залежать від початкових умов (особливостей руху тіл до початку взаємодії), характеру взаємодії та властивостей тіл, що беруть в ній участь. Проте для будь-якої взаємодії залишається незмінним відношення числових значень прискорень тіл, що взаємодіють.

Для будь-якої пари тіл, що взаємодіють, відношення числових значень отриманих ними прискорень є величиною сталою (завжди однаковою):

.

Інертність. Маса тіл. Еталон маси. З досвіду відомо, що тіла не можуть миттєво змінювати свою швидкість. Щоб розігнати до певної швидкості велосипед або автомобіль, а також, щоб зупинити їх (зменшити швидкість руху до нуля), потрібен деякий час. З цієї самої причини для літаків будують аеродроми – злітно-посадочні смуги. Тобто, для зміни швидкості будь-якого тіла потрібен час. Властивість тіл зберігати свою швидкість сталою називають інертністю. Якщо швидкість тіла не змінюється під час руху, то кажуть, що воно рухається за інерцією. Різні тіла характеризуються різною інертністю. Якщо взаємодіють два тіла, то більш інертним буде те тіло, швидкість якого зазнала меншої зміни.

Звернемося до досліду. Розташуємо на столі два однакові легкорухомі візки з пружною пластинкою між ними. Коли пластинка зігнута та закріплена ниткою, візки нерухомі. Якщо нитку перепалити, візки почнуть рухатися і, розійшовшись у протилежні боки, перемістяться на однакову відстань (мал. 2.19, а). Отже, внаслідок взаємодії візки отримали однакові за модулем та протилежні за напрямом прискорення. Навантажимо один із візків і повторимо дослід. Навантажений візок переміститься на меншу відстань, набувши меншого прискорення у порівнянні з ненавантаженим візком (мал. 2.19, б).

Якщо навантаження візка збільшити, то отримане ним під час взаємодії прискорення буде ще меншим. Навантажений візок буде більш інертним, ніж ненавантажений. Кількісну міру інертності Ньютон назвав масою (або інертною масою).

Маса – міра інертності тіла. З досвіду відомо, що тіло з більшою масою є більш інертним. Так, вантажний автомобіль важче зрушити з місця, ніж легковий. Але і гальмівний шлях вантажівки значно більший, ніж у легковика при тій самій швидкості руху.

Якщо ретельно провести вимірювання фізичних величин у досліді з візками, то можна встановити, що відношення модулів прискорень, яких набувають навантажений і ненавантажений візки, буде залишатися сталим і дорівнюватиме оберненому відношенню їх мас:

.

Масу позначають малою латинською літерою m. Міжнародною одиницею маси є 1 кілограм (1 кг). За еталон маси в 1889 р. прийняли масу спеціального циліндра, який має однакові діаметр та висоту (39 мм) і виготовлений зі сплаву платини та іридію (мал. 2.20). Еталон зберігається у французькому місті Севрі, поблизу Парижа. Точні копії еталону маси зберігаються в багатьох країнах світу.

Сила – кількісна міра взаємодії тіл. Щоб стиснути пружину (мал. 2.21), на неї потрібно подіяти. Щоб зрушити з місця будь-яке тіло (змінити його швидкість), кажуть, що до нього потрібно прикласти деяку силу або подіяти з деякою силою.

Сила – фізична величина, яка є мірою механічної взаємодії між тілами.

Силу позначають великою латинською літерою F. З практики відомо, що чим більша сила діє на тіло, тим більшою буде зміна його швидкості, або прискорення. Тобто, прискорення тіла пропорційне силі, що діє на нього:

.

Оскільки прискорення є векторною величиною, то й сила також є векторною величиною. Вектори сили та прискорення, якого набуває тіло, до якого її докладено, співпадають за напрямом. На малюнках вектори сил зображають у вигляді напрямлених відрізків (мал. 2.22). Довжина напрямленого відрізка, що зображає силу, вказує на величину її абсолютного значення. Тому на малюнках сили, що мають більшу величину (за модулем), зображають довшими напрямленими відтинками.

Крім напряму та абсолютного значення сила характеризується точкою прикладання. Потрібно враховувати, що сила визначає взаємодію, принаймні, двох тіл: до кожного з тіл, що взаємодіють, з боку іншого прикладена сила (мал. 2.23). Як напрямлені ці сили та які їх абсолютні значення, ви дізнаєтеся далі.

Сили в природі. В оточуючому світі ви спостерігали велику кількість взаємодій. Більшість із них відбуваються під час безпосереднього контакту тіл: зміна напряму польоту тенісного м’яча після удару по ньому ракеткою, стискання амортизаторів автомобіля, до салону якого сідають пасажири, забивання залізобетонних палів на будівництві тощо. Разом із тим, можна спостерігати й взаємодії, які виникають за відсутності безпосереднього контакту між тілами: падіння будь-якого тіла на поверхню Землі (мал. 2.24), взаємодія між намагніченими тілами або магнітами, притягування дрібних шматочків паперу наелектризованою паличкою тощо.

Таке розмаїття фізичних явищ, пов’язаних із взаємодією тіл, викликає закономірне питання про те, скільки саме взаємодій різної фізичної природи та сил, що їм відповідають, існує?

Хоча проявів взаємодії тіл у природі й техніці є велика кількість, не всі вони фундаментальні, тобто такі, що їх не можна звести до найпростіших. Сучасна фізична наука розрізняє чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційну, електромагнітну, ядерну (сильну) та слабку. Їм відповідають фундаментальні сили, які визначають взаємодії як планет і цілих галактик, так і молекул, атомів й елементарних частинок.

Фундаментальні сили відрізняються як за абсолютними значеннями, так і за іншими властивостями, наприклад, залежністю від відстані між тілами.

Гравітаційні сили особливі тим, що є проявом взаємодії тіл величезних розмірів, або, принаймні, одне з тіл, що взаємодіють, має бути розміром, наприклад, з планету. Ці сили визначають взаємодію зірок, планет та їх супутників, а також тіл на поверхні планет. Між тілами невеликих мас теж виникають гравітаційні взаємодії, але вони незначні і тому ними нехтують.

Електромагнітні взаємодії і сили, що їм відповідають, виникають між зарядженими частинками і тілами. Ці сили надзвичайно потужні і мають широку дію: від атомних ядер, атомів і молекул, до різноманітних тіл та живих організмів.

Специфічною особливістю ядерних сил і слабких взаємодій є їх обмежена в просторі дія. Так, ядерні сили виявляються в середині атомних ядер між їх складовими на відстанях, які не перевищують 10^{-15 м, що менше за розміри атома.}

Слабкі взаємодії характерні для елементарних частинок і визначають їх взаємоперетворення.

Найслабкішою взаємодією, серед уже відкритих, є гравітаційна. Ядерна взаємодія на відстані своєї дії у багато разів перевищує силу гравітаційної взаємодії і є найсильнішою. Проте гравітаційні сили, так само, як і електромагнітні, мають безмежну дію, що й робить їх визначальними в космічному просторі.

Види сил в механіці. У класичній механіці (механіці Ньютона) визначення фізичної природи сил не є головним завданням. Важливе значення для розв’язання практичних задач мають умови виникнення сил, їх абсолютні значення та напрям, залежність від відстаней між тілами, що взаємодіють, швидкості руху тіл. Тому в межах класичної механіки силами у традиційному розумінні є прояви саме гравітаційної та електромагнітної взаємодії. Інші фундаментальні взаємодії (ядерні та слабкі) виявляються на відстанях, для яких не можна встановити точні кількісні характеристики, і, відповідно, застосувати закони класичної механіки (закони Ньютона).

Гравітаційні та електромагнітні сили залежать тільки від відстаней між тілами або частинами тіла (сила всесвітнього тяжіння, сила пружності), або від відносних швидкостей руху тіл чи частин тіла (сила тертя).

Гравітаційна взаємодія виявляється в силах, що мають досить просту кількісну форму. Електромагнітних сил існує кілька видів, зокрема, сили пружності та тертя. Завдяки силам пружності тіла зберігають форму та об’єм, «тиснуть» на інші тіла й рухаються. Сили тертя викликають зменшення швидкості руху тіл. До електромагнітних сил належать і сили м’язів живих організмів.

Для пояснення механічних явищ і процесів важливе значення мають саме сили всесвітнього тяжіння, пружності й тертя. Сили пружності й тертя не є фундаментальними, оскільки їх зводять до фундаментальної електромагнітної взаємодії.

Дата добавления: 2015-08-18