Надо Знать

добавить знаний



Сила



План:


Введение

На тело, подвешенное на пружине действует сила земного притяжения и сила реакции пружины

Сила - физическая величина, характеризующая степень взаимодействия тел. При действии неуравновешенных силы на физическое тело его движение меняется, т.е. тело приобретает ускорение.

Сила есть векторной величиной - кроме числа, обозначающего большую или меньшую действие, она характеризуется еще и направлением действия. Силу основном обозначают латинской буквой \ Mathbf {F} (От англ. force ), Где жирный шрифт указывает, что это вектор. Вектор также обозначают стрелки \ Vec {F} . Абсолютная величина силы сказывается нежирным шрифтом: F .

Силы изучаются в разделах механики, которые называются динамикой и статикой. Динамика изучает вопросы, связанные с движением тел под действием сил, а в статике рассматриваются условия равновесия неподвижных тел.


1. История понятия

Понятие силы использовали другие ученые античности в своих работах с статики и динамики. Изучением сил в процессе конструирования простых механизмов занимался в III в. до н. е. Архимед [1]. На протяжении нескольких веков доминировали ошибочные представления Аристотеля, движущийся только движимое, что для движения тела необходимо применить к нему силу. Это ошибочное утверждение исправил в XVII веке Исаак Ньютон, используя для описания силы математические методы. Механика Ньютона оставалась общепринятой в течение почти трехсот лет. В начале XX века Альберт Эйнштейн в своих работах с теории относительности показал, что ньютоновская механика верна лишь в при сравнительно небольших скоростях движения и массах тел в системе, уточнив тем самым основные положения кинематики и динамики и описав некоторые новые свойства пространства-времени.


2. Виды сил

2.1. Фундаментальные взаимодействия

Сила визначаетья как количественная характеристика взаимодействия между телами. Среди всех типов взаимодействия, существующие в природе, традиционно выделяют 4 вида так называемых фундаментальных взаимодействий : гравитационная, электромагнитная, сильная (ядерная) и слабая. Для описания двух из этих взаимодействий, гравитационной и электромагнитной, классическая физика использует понятие силы.

Гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения. Тело с массой m_2 притягивается к телу с массой m_1 с силой:

\ Mathbf {F} _ {12} = - G \ frac {m_1 m_2} {r_ {12} ^ 3} \ mathbf {r_ {12}} ,

где F_ {12} - Сила, действующая на первое тело со стороны второго, \ Mathbf {r_ {12}} - Вектор, соединяющий первое тело со вторым, G - гравитационная постоянная.

Сила электромагнитного взаимодействия называется силой Лоренца. Она действует со стороны электрического и магнитного полей на тела, которые имеют электрический заряд. На тело с зарядом q в электрическом поле с напряженностью \ Mathbf {E} и магнитном поле магнитной индукцией \ Mathbf {B} действует сила

\ Mathbf {F} = q \ mathbf {E} + \ frac {q} {c} [\ mathbf {v} \ times \ mathbf {B}] ,

где \ Mathbf {v} - скорость тела, а c - физическое стала скорость света.

Два других типа фундаментальных взаимодействий - сильное и слабое, действующие между элементарными частицами. Для описания этих взаимодействий используются методы, выходящие за рамки классической физики. Понятие силы для характеристики этих взаимодействий не применяют.


2.2. Другие силы

Кроме основных видов сил для описания взаимодействия в макроскопическом мире вводятся другие виды силы, которые по своей природе сводятся в основном к электромагнитным. К таким силам относятся сила реакции опоры, сила трения, сила Архимеда и другие.

Силы, при действии которых выполняется закон сохранения энергии называются консервативными. Другие силы, например, сила трения, рассеивающих энергию, превращая ее в тепло. Такие силы называются неконсервативных или диссипативными. Среди консервативных сил есть такие, которые можно представить в виде градиента определенной функции координат. Такие силы называются потенциальными.

Силами реакции называются такие силы, значение которых невозможно определить через характеристики взаимодействия тел и физические законы, но можно определить, зная величину и направление других сил в физической системе и ускорение, с которым движутся тела.

При рассмотрении динамики механических систем в неинерциальных системах отсчета возникает необходимость введения фиктивных сил, которые называются силами инерции.


3. Размерность силы

В системе СИ сила размерность : Н (Ньютон) = кг ? м / с 2. В системе СГС сила измеряется в динах = г ? см / с 2.

Кроме этих единиц в литературе иногда встречаются устаревшие единицы силы, такие, как килограмм-сила, которая определяется как сила, придает телу массой 1 кг ускорение, равное ускорению свободного падения.


3.1. Физический смысл единицы измерения силы в СИ

Для инерциальных систем отсчета в системе СИ за 1 Н взяли такую постоянную силу, которая по время 1 с изменяет скорость тела массой 1 кг на 1 м / c, при условии, что вектор силы и вектор скорости лежат на одной линии, проходящей через центр масс тела.


4. Графическое представление

Силы, действующие на тело на наклонной плоскости

Силы, действующие на тела графически изображаются стрелками. Обычно силы откладывают от центра массы. На рисунке справа для примера изображены силы, действующие на тело на наклонной плоскости. Таких сил три: сила тяжести (обозначается m \ vec {g} ), Сила реакции опоры (обозначена \ Vec {N} ) И сила трения (обозначена \ Vec {I} ). Если тело неподвижно, то все эти силы уравновешены: перпендикулярно к плоскости составляющая силы тяжести - силой реакции опоры, а параллельная - силой трения:

mg \ cos \ theta = N
mg \ sin \ theta = I

5. Уравнения движения

По второму законом Ньотона, скорость изменения импульса тела \ Mathbf {p} равно равнодействующей приложенных к нему сил:

\ Frac {d \ mathbf {p}} {dt} = \ mathbf {F} .

Таким образом, силы, действующие на тело, определяют его ускорение.

6. Измерение

Величину силы измеряют уравнивая ее с какой-то другой силой, для которой существует градуированная шкала. Прибор для измерения силы называется динамометром или силомер. Процедура измерения силы называется динамометрию.

7. 4-сила

В теории относительности силе соответствует 4-вектор

f ^ i = \ left (\ frac {\ mathbf {F} \ cdot \ mathbf {v}} {\ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2}} \ frac {\ mathbf {F}} {\ sqrt {1 - v ^ 2 / c ^ 2}} \ right) ,

где c - скорость света в пустоте, \ Mathbf {v} - скорость тела, \ Mathbf {F} - Обычная трехмерная сила. Нулевая или временная составляющая 4-вектора силы есть за свою сути мощностью. При v \ ll c , Релятивистские поправки в силу малы.

Второй закон Ньотона в теории относительности записывается через 4-векторы почти аналогичным образом

mc \ frac {du ^ i} {ds} = f ^ i ,

где m - масса тела, u ^ i - 4-вектор скорости, а ds - пространственно-временной интервал.


8. Связь с другими физическими величинами

Через силу определяются другие физические величины, более удобные для решения соответствующих физических задач.

Давление определяется как отношение силы к площади поверхности, на которую сила действует. При этом важна только нормальная к поверхности составляющая силы. Аналогичное определение имеет понятия механического напряжения, это обобщение действие давления на нередкие сплошные среды.

Для статики важную роль играет понятие момента силы, поскольку для неточечного тел значение имеет не только величина и направление силы, а точка, в которой эта сила приложена. Момент силы используется для физических задач, в которых сила приводит не к поступательного движения, а в вращения.

При изучении столкновений между телами и ударов используется понятие импульса силы, которая определяется не только силой, а тем промежутком времени, в течение которого эта сила действует.

Вследствие перемещение тела, на которое действует сила, эта сила выполняет работу.


9. Другое

В физике существует немало понятий, для обозначения которых используется слово сила, хотя они не являются силами, как это понимается в механике. Их названия сложились исторически. К таким понятиям относятся электродвижущая сила, оптическая сила, сила света и другие.

Срок сила часто употребляется в переносном смысле, например, сила доказательства, сила духа, политическая сила.

См.. также

Источники

Братский проект Посмотрите сила в Викисловарь, свободном словаре.
  • Федорченко А.М. Теоретическая механика. - М.: Высшая школа, 1975., 516 с.
  • Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. т. II. Теория поля.. - Москва: Наука., 1974.
  • А. П. Сук, В. А. Базакуца "Физические величины и единицы". ([1])

Примечания

  1. Heath, TL. "The Works of Archimedes (1897)" - www.webcitation.org/618krXWwH. Archive.org. Архив оригинала - www.archive.org/details/worksofarchimede029517mbp за 2011-08-23 . http://www.webcitation.org/618krXWwH - www.webcitation.org/618krXWwH . Проверено 2007-10-14 . (Англ.)


Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам