Какво е силата във физиката? Концепцията и формулите на силата

Всички процеси около нас възникват в резултат на действието на физическа сила. С неговото проявление, човек се намира навсякъде, започвайки с факта, че той трябва да приложи сила, за да се измъкне от леглото сутрин и да завърши с движението на масивни космически обекти. Тази статия е посветена на въпроса какво е сила във физиката и какви видове тя съществува.

Понятие за власт

Въпросът за това, каква сила има във физиката, започваме да разглеждаме с неговото определение. Под него е стойността, която може да промени количеството движение на въпросното тяло. Математическият израз за тази дефиниция изглежда така:

F¯ = dp¯ / dt

Тук dp е промяната в количеството на движението (в противен случай тя се нарича импулс), dt е времевият интервал, през който той се променя. Това показва, че F ¯ (сила) е вектор, т.е., за да го дефинира, е необходимо да се знае както модула (абсолютната стойност), така и посоката на неговото прилагане.

Както знаете, импулсът се измерва в kg * m / s. Това означава, че F¯ се изчислява в kg * m / s ² . Тази единица за измерване се нарича Нютон (N) в SI. Тъй като единицата m / s ² е мярка за измерване на линейно ускорение в класическата механика, вторият закон на Исак Нютон следва автоматично от дефиницията за сила:

F¯ = m * a¯

В тази формула a¯ = dv¯ / dt е ускорението.

Тази формула на силата във физиката показва, че в нютоновата механика стойността на F¯ се характеризира с ускорение, което може да комуникира с тяло с маса m.

Класификация на силите

Темата за силата във физиката е доста широка и при подробно разглеждане тя засяга фундаментални понятия за структурата на материята и за процесите, протичащи във Вселената. В тази статия няма да разгледаме концепцията за релативистичната сила (процеси, протичащи при почти светлинни скорости) и силите в квантовата механика, но се ограничаваме с нейното описание за макроскопични обекти, движението на които се определя от законите на класическата механика.

Така, въз основа на ежедневното наблюдение на процесите в живота и природата, можем да разграничим следните видове сила:

• тежестта (тежестта);
• въздействие върху основата;
• триене;
• напрежение;
• еластичност;
• се върне.

Отваряйки въпроса какво е силата във физиката, ние разглеждаме всеки един от тези типове по-подробно.

По света Нютон

Във физиката ефектът на силовата сила се проявява в привличането на два обекта с крайна маса. Гравитацията е достатъчно слаба в сравнение с електрическите или ядрените взаимодействия. Тя се проявява в космически мащаб (движението на планетите, звездите, галактиките).

През XVII век Исак Нютон, изучавайки движението на планетите около Слънцето, стигна до формулирането на закона, който се нарича световен. Във физиката формулата за силата на гравитацията се записва като:

F = G * m ₁ * m ₂ / r ²

Формулата ви позволява да изчислите с каква сила са привлечени две тела с маса m ₁ * m ₂ , разположени на разстояние r един от друг. Стойността G = 6,674 * 10 ^-11 N * m ² / kg ² е константа.

Експерименталното определяне на стойността на G е направено едва в края на XVIII век от Хенри Кавендиш, който използва опита си на усукване. Този експеримент ни позволи да определим масата на нашата планета.

В горната формула, ако нашата Земя е едно от телата, тогава силата на всеки обект близо до земната повърхност ще бъде равна на:

F = G * M * m / R ² = m * g,

където g = G * M / R ²

Тук М е масата на планетата, R е неговият радиус (разстоянието между тялото и центъра на Земята е приблизително равно на радиуса на последната). Последният израз е математическо представяне на количество, което обикновено се нарича телесно тегло, а именно:

Р = m * g

Изразът показва, че във физиката гравитацията е еквивалентна на телесното тегло. Стойността на Р се измерва, като се знае силата на реакцията на опората, върху която се намира тялото.

Реакция на поддържаща повърхност

Защо хората, къщите и другите предмети попадат в земята? Защо книгата на масата не пада? Тези и други подобни факти се обясняват със съществуването на силата на поддържащата реакция, която често се обозначава с буквата N. По нейно име е ясно, че това е характеристика на въздействието върху тялото на повърхността, на която се намира.

Въз основа на отбелязания факт на равновесие, можем да напишем израза:

N = -P = -m * g

(за хоризонтална позиция на тялото)

Тоест, поддържащата сила е равна по величина на теглото на тялото, ако е на хоризонтална повърхност и противоположно на нея в посока. Ако тялото е разположено на наклонена равнина, тогава N се изчислява с помощта на тригонометричната функция (sin (x) или cos (x)), тъй като P винаги е насочена към центъра на Земята (надолу), а N е насочен перпендикулярно на повърхността (нагоре).

Разбирането на причината за силата N е извън обхвата на класическата механика. Накратко, ние казваме, че това е пряко следствие от т. Нар. Принцип на забраната на Паули. Според него два електрона не могат да бъдат в едно състояние. Този факт води до факта, че ако два атома са събрани, тогава, въпреки тяхната 99% пустота, електронните черупки няма да могат да проникнат един в друг и между тях се появява силно отблъскване.

Сила на триене

Във физиката този вид сила не е по-рядко от споменатите по-горе. Винаги има триене, когато обектът започне да се движи. Като цяло, във физиката, силата на триене може да се припише на един от трите вида:

• почивка;
• плъзгащи;
• Rolling.

Първите два типа се описват със следния израз:

F = μ * n

Тук μ е коефициентът на триене, чиято стойност зависи както от вида на силата (покой или триене), така и от материалите на триещите се повърхности.

Ролковото триене, чийто ярък пример е движещо се колело, се изчислява по формулата:

F = f * N / R

Тук R е радиусът на колелото, f е коефициент, който се различава от μ не само по стойност, но и по размер (μ е безразмерна, f се измерва в единици за дължина).

Всеки тип сила на триене винаги е насочен срещу движението, пряко пропорционално на силата N и не зависи от контактната площ на повърхностите.

Причината за появата на триене между две повърхности е наличието на микро-нееднородности върху тях, водещи до тяхното "зацепване" като малки куки. Това просто обяснение е доста добра апроксимация на процеса от реалния живот, който е много по-сложен и за дълбоко разбиране включва разглеждане на взаимодействията върху атомните везни.

Горните формули се отнасят до триенето на твърдите вещества. В случай на течни вещества (течности и газове) е налице и триене, но то вече е пропорционално на скоростта на обекта (квадрата на скоростта с бързи движения).

Сила на опън

Какво е силата във физиката при разглеждането на движението на стоките чрез въжета, въжета и кабели? Тя се нарича сила на опън. Обикновено се обозначава с буквата Т (виж фиг. Горе).

Когато разглеждаме проблемите на физиката върху силата на напрежението, те често възникват такъв прост механизъм като блок. Тя ви позволява да пренасочите текущата сила Т. Специални конструкции от блокове дават предимство на силата, приложена за повдигане на товар.

Феномен на еластичност

Ако деформациите на твърдото вещество са малки (до 1%), след като се приложи външна сила, те напълно изчезват. По време на този процес деформацията работи, създавайки така наречената еластична сила. За пролетта тази стойност е описана от закона на Хук. Съответната формула е:

F = -k * x

Тук x е количеството на изместване на пружината от равновесното си състояние (абсолютна деформация), k е коефициент. Знакът минус в израза показва, че еластичната сила е насочена срещу деформация (напрежение и компресия), т.е. тя се стреми да възстанови равновесното положение.

Физическата причина за появата на силите на еластичност и напрежение е една и съща, тя се крие в появата на привличане или отблъскване между атомите на веществото, когато равновесното разстояние между тях се промени.

Сила на връщане

Всеки знае, че при стрелба от всяко огнестрелно оръжие има така наречен откат. Това се проявява във факта, че задника на пистолета удари рамото на стрелеца, а резервоарът или пистолетът се върти, когато снарядът се отклони от цевта. Това са всички проявления на силата на отдаване. Формулата за нея е подобна на тази, дадена в началото на статията при дефиниране на понятието "сила".

Както можете да предположите, причината за появата на силите на отдаване се крие в проявлението на закона за запазване на инерцията на системата. Така че куршумът, който е излетял от цевта на пистолета, носи точно същия импулс, с който задника удря стрелката на стрелеца, в резултат на което общото количество на движение остава постоянно (равно на нула за относително стационарна система).