Фундаментальные взаимодействия
Введение
Как описывать взаимодействие тел?
Тепловоз тянет состав (см. рис. 1).
Рис. 1. Тепловоз
А можно ли рассматривать это по-другому? Например, тепловоз тянет первый вагон, а первый вагон тянет второй и т. д. Правильно ли это будет? Конечно можно, но смотря для какой задачи. Можно сказать, что тепловоз тянет вагон с людьми, а можно сказать, что тепловоз тянет вагон, а вагон везёт людей (см. рис. 2).
Рис. 2. Люди в вагоне
И задач, при решении которых приходится рассматривать взаимодействие, множество. Например, кран поднимает многотонную плиту, огромный магнит притягивает металлолом на свалке, Земля взаимодействует с Солнцем, из-за чего и вращается вокруг него (см. рис. 3).
Рис. 3. Примеры взаимодействия тел
Как же всё это описать? Ведь виден только результат взаимодействия: поезд едет, плита движется вверх под действием крана, магнит притягивает железо.
Понятие силы
Для описания взаимодействия придуман универсальный инструмент – сила. То есть при взаимодействии тел будем говорить: каждое из тел действует на другое с некоторой силой. Или более коротко: на тело действует сила (см. рис. 4).
Рис. 4. Действие крана на плиту
Действуют ли на тело силы?
Часто говорят: на тело действует сила (см. рис. 5).
Рис. 5. Пример действия силы
Давайте разберёмся, корректна ли такая формулировка. Сила – это физическая величина, мера воздействия. Она задаётся числами, а числа не действуют. Они показывают меру того, как действует тело. То есть на тело действует не сила, а другое тело.
Если мы на катке столкнулись с другом, то нельзя сказать, что столкнулись с его скоростью или массой (см. рис. 6).
Рис. 6. Столкновение на катке
Хотя с помощью скорости и массы можно измерить масштабы столкновения. Но сталкиваемся мы всё-таки с другом.
Однако в языке устоялось выражение «действует сила». Не всегда удобно говорить, что на тело «в результате гравитационного взаимодействия действует Земля», чаще говорят «действует сила тяжести» (см. рис. 7).
Рис. 7. Действие силы тяжести
И мы понимаем, что это значит.
|
|
|
|
Описание взаимодействия с помощью силы – это модель, которую обычно составляют по результатам экспериментов. Сравнивая изменения условия эксперимента и результатов, можно сделать выводы, от чего зависит сила.
Рассмотрим в качестве примера, от чего зависит сила тяжести. Возьмем грузики одинаковой массы и подвесим к динамометрам (см. рис. 8).
Рис. 8. Грузики одинаковой массы
Их показания будут одинаковыми. Возьмём грузики разной массы – показания будут разные (см. рис. 9).
Рис. 9. Грузики разной массы
Вывод: сила тяжести зависит от массы тела. Если возьмём грузики одинаковой массы, но разной формы и объёма, то показания динамометров всё равно будут одинаковы (см. рис. 10).
|
|
|
Рис. 10. Грузики разной формы, но одинаковой массы
То есть сила тяжести не зависит от формы и объёма тел. И так далее.
Классификация сил
Есть разные причины взаимодействия тел, но для удобства описания взаимодействия силы удобно классифицировать. Рассмотрим равномерное движение санок по снегу. С какими телами взаимодействуют санки?
Во-первых, с верёвкой. Человек тянет за верёвку, она натягивается и тянет санки (см. рис. 11).
Рис. 11. Сила упругости
Верёвка при этом растягивается. Если бы вместо верёвки была резинка или пружина, это было бы ещё заметнее. Такое растяжение можно измерить и по нему вычислить силу, которая действует на резинку или пружину. Эту силу удобно выделить в отдельную модель, записать связь силы и растяжения:
и дать ей название: сила упругости. Если у нас всё-таки верёвка, её растяжение может оказаться настолько мало, что работать с ним неудобно и по растяжению силу упругости не вычислить. Тогда считаем проще: с какой силой человек тянет верёвку, с такой силой и верёвка тянет санки. Можно даже придумать отдельное название для силы: сила натяжения.
|
|
|
Кроме верёвки, санки взаимодействуют со снегом. Для равномерного движения сила взаимодействия должна быть направлена следующим образом (см. рис. 12).
Рис. 12. Сила взаимодействия санок со снегом
Но удобно её рассматривать как сумму двух сил (см. рис. 13).
Рис. 13. Разложение силы взаимодействия санок со снегом на составляющие
1) При сдавливании снега она действует на санки перпендикулярно поверхности и не даёт санкам провалиться. Эту силу называют силой реакции опоры (см. рис. 14).
Рис. 14. Сила реакции опоры
2) Сила, действующая горизонтально. Это сила трения санок о снег (см. рис. 15).
Рис. 15. Сила трения
Также санки вступают в гравитационное взаимодействие с Землёй. Со стороны Земли на санки действует сила тяжести (см. рис. 16).
Рис. 16. Сила тяжести
Оказывается, достаточно выделить четыре силы, чтобы решить задачу о движении санок.
Классификация сил достаточно условна, она зависит от того, какую задачу мы решаем.
Силами упругости считают те силы, которые возникают при деформации. Поставим на стол стакан и подумаем: стол деформировался? Конечно, молекулы как-то сместились, иначе силы бы не возникло (см. рис. 17).
Рис. 17. Смещение молекул стола
|
|
|
Но попробуем измерить деформацию стола и вычислить силу (как бы это делалось для пружины по формуле ) – не получится. Поэтому силу реакции опоры обычно отличают от силы упругости.
В зависимости от задачи можно применить разные модели к одному и тому же телу. При рассмотрении движения лифта растяжением троса можно пренебречь. Для такой задачи будем считать, что на лифт действует сила натяжения троса (см. рис. 18).
Рис. 18. Сила натяжения троса
А вот для проектировщика лифта важно рассчитать, как именно будет растягиваться трос, хватит ли ему прочности. Поэтому он будет учитывать растяжение и рассматривать силу упругости.
Выделение отдельных сил, действующих на тело, также зависит от задачи. Например, если на санках сидит ребёнок, то можно рассматривать общую силу тяжести, действующую на санки с ребёнком. Если бы было два ребёнка, всё равно взяли бы общую массу детей и санок (см. рис. 19).
Рис. 19. Сила тяжести санок и ребят
Но если нужно понять, как именно ребёнок взаимодействует с санками, не соскользнёт ли он, то будем рассматривать отдельно силы, действующие на ребенка и на санки (см. рис. 20).
Рис. 20. Взаимодействие человека с санками
Фундаментальные взаимодействия
Можно пойти ещё дальше и описать взаимодействие между элементарными частицами, из которых состоят тела (см. рис. 21).
Рис. 21. Взаимодействие между элементарными частицами
Такие взаимодействия называют фундаментальными. Выделяют всего 4 фундаментальных типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 24; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!