Чтобы понять, стоит ли продолжать писать короткие этюды, объясняющие буквально на пальцах разные физические явления и процессы. Результат развеял мои сомнения. Продолжу. Но чтобы подойти к довольно сложным явлениям придется делать отдельные последовательные серии постов. Так, чтобы дойти до рассказа об устройстве и эволюции Солнца и других типов звезд придется начать с описания типов взаимодействия между элементарными частичами. С этого и начнем. Без формул.
Всего в физике известно четыре типа взаимодействия. Хорошо знакомые все гравитационное
и электромагнитное
. И почти неизвестные широкой публике сильное
и слабое
. Опишем их последовательно.
Гравитационное взаимодействие
.
Человек знаком с ним издревле. Ибо постоянно находится в поле тяжести Земли. А из школьной физики мы знаем, что сила гравитационного взаимодействия между телами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Под воздействием гравитационной силы Луна вращается вокруг Земли, Земля и другие планеты - вокруг Солнца, а последнее вместе с другими звездами - вокруг центра нашей Галактики.
Довольно медленное убывание силы гравитационного взаимодействия с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния) заставляет физиков говорить об этом взаимодействии как о дальнодействующем
. Кроме того, действующие между телами силы гравитационного взаимодействия являются только силами притяжения.
Электромагнитное взаимодействие
.
В самом простейшем случае электростатического взаимодействия, как мы знаем из школьной физики, сила притяжения или отталкивания между электрически заряженными частицами пропорциональна произведению их электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Что очень похоже на закон гравитационного взаимодействия. Отличие лишь в том, что электрические заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными - притягиваются. Поэтому электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, физики называют дальнодействующим
.
В то же время электромагнитное взаимодействие сложнее гравитационного. Из школьной физики мы знаем, что электрическое поле создается электрическими зарядами, магнитных зарядов в природе не существует, а магнитное поле создается электрическими токами.
На самом деле электрическое поле может создаваться еще и изменяющимся во времени магнитным полем, а магнитное поле - изменяющимся во времени электрическим полем. Последнее обстоятельство дает возможность существовать электромагнитному полю вообще без электрических зарядов и токов. И эта возможность реализуется в виде электромагнитных волн. Например, радиоволн и квантов света.
Из-за одинаковой зависимости от расстояния электрических и гравитационных сил естественно попытаться сравнить их интенсивности. Так, для двух протонов силы гравитационного притяжения оказываются в 10 в 36-й степени раз (миллиард миллиардов миллиардов миллиардов раз) слабее сил электростатического отталкивания. Поэтому в физике микромира гравитационным взаимодействием вполне обоснованно можно пренебрегать.
Сильное взаимодействие
.
Это - близкодействующие
силы. В том смысле, что они действуют на расстояниях только порядка одного фемтометра (одной триллионной части миллиметра), а на больших расстояниях их влияние практически не ощущаются. Более того, на расстояниях порядка одного фемтометра сильное взаимодействие примерно в сотню раз интенсивнее электромагнитного.
Именно поэтому одинаково электрически заряженные протоны в атомном ядре не отталкиваются друг от друга электростатическими силами, а удерживаются вместе сильным взаимодействием. Поскольку размеры протона и нейтрона составляют около одного фемтометра.
Слабое взаимодействие
.
Оно действительно очень слабое. Во-первых, оно действует на расстояниях в тысячу раз меньших одного фемтометра. А на больших расстояниях практически не ощущается. Поэтому оно, как и сильное, принадлежит к классу близкодействующих
. Во-вторых, его интенсивность примерно в сотню миллиардов раз меньше интенсивности электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие отвечает за некоторые распады элементарных частиц. В том числе - свободных нейтронов.
Существует лишь один тип частиц, которые взаимодействуют с веществом только через слабое взаимодействие. Это - нейтрино. Через каждый квадратный сантиметр нашей кожи ежесекундно проходит почти сотня миллиардов солнечных нейтрино. И мы их совершенно не замечаем. В том смысле, что за время нашей жизни вряд ли несколько штук нейтрино провзаимодействует с веществом нашего тела.
Говорить же о теориях, описывающих все эти типы взаимодействий не будем. Ибо для нас важна качественная картина мира, а не изыски теоретиков.
Причиной изменения движения: появления ускорения у тел является сила. Силы возникают при взаимодействии тел друг с другом. Но какие существуют виды взаимодействий и много ли их?
На первый взгляд может показаться, что различных видов воздействий тел друг на друга, а следовательно, и различных видов сил существует очень много. Ускорение можно сообщить телу, толкнув или потянув его рукой; с ускорением плывёт корабль, когда дует попутный ветер; с ускорением движется любое тело, падающее на Землю; натянув и отпустив тетиву лука, мы сообщаем ускорение стреле. Во всех рассмотренных случаях действуют силы, и все они кажутся совершенно различными. А можно назвать ещё и другие силы. Все знают о существовании электрических и магнитных сил, о силе прилива и отлива, о силе землетрясений и ураганов.
Но действительно ли в природе существует так много разных сил?
Если мы говорим о механическом движении тел, то здесь мы встречаемся только с тремя видами сил: сила тяготения, сила упругости и сила трения. К ним сводятся, все рассмотренные выше силы. Силы упругости, тяготения и трения являются проявлением сил всемирного тяготения и электромагнитных сил природы. Получается, что в природе из указанных существует только две силы.
Электромагнитные силы. Между наэлектризованными телами действует особая сила, которая называется электрической силой, которая может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания. В природе существуют заряды двух видов: положительные и отрицательные. Два тела с различными зарядами притягиваются, а тела с одноимёнными зарядами отталкиваются.
Электрические заряды обладают одним особенным свойством: когда заряды движутся, между ними, кроме электрической силы, возникает и другая – магнитная сила.
Магнитная и электрическая силы тесно связаны друг с другом и действуют одновременно. А так как чаще всего приходится иметь дело с движущимися зарядами, то действующие между ними силы нельзя разграничить. И эти силы называют электромагнитными силами.
Как же возникает «электрический заряд», который может быть у тела, а может и не быть?
Все тела состоят из молекул и атомов. Атомы состоят ещё из более мелких частиц – атомного ядра и электронов. Они, ядра и электроны, обладают определёнными электрическими зарядами. Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный.
В нормальных условиях атом не имеет заряда – он нейтрален, потому что суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. И тела, которые состоят их таких нейтральных атомов, электрически нейтральны. Между такими телами практически нет электрических сил взаимодействия.
Но в одном и том же жидком (или твёрдом) теле соседние атомы настолько близко расположены один к другому, что силы взаимодействия между зарядами, из которых они состоят, весьма значительны.
Силы взаимодействия атомов зависят от расстояний между ними. Силы взаимодействия между атомами способны изменять своё направление при изменении расстояния между ними. Если расстояние между атомами очень мало, то они отталкиваются друг от друга. Но если расстояние между ними увеличить, то атомы начинают притягиваться. При некотором расстоянии между атомами силы их взаимодействия становятся равными нули. Естественно, что на таких расстояниях атомы и располагаются друг относительно друга. Отметим, что расстояния эти очень малы, и приблизительно равны размерам самих атомов.
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
«Физика - 10 класс»
В главе 2 мы ввели понятие силы как количественной меры действия одного тела на другое.
В этой главе мы рассмотрим, какие силы рассматриваются в механике, чем определяются их значения.
Много ли видов сил существует в природе?
Перечислите известные вам силы.
Какую природу они имеют - гравитационную или электромагнитную?
На первый взгляд кажется, что мы взялись за непосильную и неразрешимую задачу: тел на Земле и вне её бесконечное множество.
Они взаимодействуют по-разному.
Ядерные силы действуют между частицами в атомных ядрах и определяют свойства ядер.
Область действия ядерных сил очень ограничена.
Они заметны только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10 -15 м).
Уже на расстояниях между частицами порядка 10 -13 м (в тысячу раз меньших размеров атома - 10 -10 м) они не проявляются совсем.
Слабые взаимодействия вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
Они проявляются на ещё меньших расстояниях, порядка 10 -17 м.
Ядерные силы - самые мощные в природе.
Если интенсивность ядерных сил принять за единицу, то интенсивность электромагнитных сил составит 10 -2 , гравитационных - 10-40, слабых взаимодействий - 10 -16 .
Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл.
Интенсивность сильного и слабого взаимодействий измеряется в единицах энергии (в электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина «сила» объясняется многовековой традицией все явления в окружающем мире объяснять действием характерных для каждого явления «сил».
В механике мы будем рассматривать только гравитационные и электромагнитные взаимодействия.
Силы в механике.
В механике обычно имеют дело с тремя видами сил - силами тяготения, силами упругости и силами трения.
Источник: «Физика - 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский
Динамика - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика
В природе существует четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые.
Гравитационные силы, или силы тяготения, действуют между всеми телами. Но эти силы заметны, если хотя бы одно из тел имеет размеры, соизмеримые с размерами планет. Силы притяжения между обычными телами настолько малы, что ими можно пренебречь. Поэтому гравитационными можно считать силы взаимодействия между планетами, а также между планетами и Солнцем или другими телами, имеющими очень большую массу. Это могут быть звёзды, спутники планет и т.п.
Электромагнитные силы действуют между телами, имеющими электрический заряд.
Ядерные силы (сильные) являются самыми мощными в природе. Они действуют внутри ядер атомов на расстояниях 10 -13 см.
Слабые силы , как и ядерные, действуют на малых расстояниях порядка 10 -15 см. В результате их действия происходят процессы внутри ядра.
Механика рассматривает гравитационные силы, силы упругости и силы трения.
Гравитационные силы
Гравитация описывается законом всемирного тяготения. Этот закон был изложен Ньютоном в середине XVII в. в работе «Математические начала натуральной философии».
Гравитацией называют силу тяготения, с которой любые материальные частицы притягиваются друг у другу.
Сила, с которой материальные частицы притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .
G – гравитационная постоянная, численно равная модулю силы тяготения, с которой тело, имеющее единичную массу, действует на тело, имеющее такую же единичную массу и находящееся на единичном расстоянии от него.
G = 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , или Н·м²·кг −2 .
На поверхности Земли сила гравитации (сила тяготения) проявляется в виде силы тяжести .
Мы видим, что любой предмет, брошенный в горизонтальном направлении, всё равно падает вниз. Падает вниз также и любой предмет, подброшенный вверх. Происходит это под действием силы тяжести, которая действует на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли. Сила тяжести действует на тела и на поверхности других астрономических тел. Эта сила всегда направлена вертикально вниз.
Под действием силы тяжести тело движется к поверхности планеты с ускорением, которое называется ускорением свободного падения .
Ускорение свободного падения на поверхности Земли обозначается буквой g .
F t = mg ,
следовательно,
g = F t / m
g = 9, 81 м/с 2 на полюсах Земли, а на экваторе g = 9,78 м/с 2 .
При решении простых физических задач величину g принято считать равной 9,8 м/с 2 .
Классическая теория тяготения применима только для тел, имеющих скорость намного ниже скорости света.
Силы упругости
Силами упругости называются силы, которые возникают в теле в результате деформации, вызывающей изменение его формы или объёма. Эти силы всегда стремятся вернуть тело в его первоначальное положение.
При деформации происходит смещение частиц тела. Сила упругости направлена в сторону, противоположную направлению смещения частиц. Если деформация прекращается, сила упругости исчезает.
Английский физик Роберт Гук, современник Ньютона, открыл закон, устанавливающий связь между силой упругости и деформацией тела.
При деформации тела возникает сила упругости, прямо пропорциональная удлинению тела, и имеющая направление, противоположное перемещению частиц при деформации.
F = k ∆ l ,
где к – жёсткость тела, или коэффициент упругости;
∆ l – величина деформации, показывающая величину удлинения тела под воздействием сил упругости.
Закон Гука действует для упругих деформаций, когда удлинение тела мало, а тело восстанавливает свои первоначальные размеры после того, как исчезают силы, вызвавшие эту деформацию.
Если деформация велика, и тело не возвращается в свою исходную форму, закон Гука не применяется. При очень больших деформациях происходит разрушение тела.
Силы трения
Сила трения возникает, когда одно тело движется по поверхности другого. Она имеет электромагнитную природу. Это следствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. Направление силы трения противоположно направлению движения.
Различают сухое и жидкое трение. Сухим называют трение, если между телами нет жидкой или газообразной прослойки.
Отличительная особенность сухого трения – трение покоя, которое возникает при относительном покое тел.
Величина силы трения покоя всегда равна величине внешней силы и направлена в противоположную сторону. Сила трения покоя препятствует движению тела.
В свою очередь, сухое трение разделяется на трение скольжения и трение качения .
Если величина внешней силы превышает величину силы трения, то в этом случае появится проскальзывание, и одно из контактирующих тел начнёт поступательно перемещаться относительно другого тела. А сила трения будет называться силой трения скольжения . Её направление будет противоположно направлению скольжения.
Сила трения скольжения зависит от силы, с которой тела давят друг на друга, от состояния трущихся поверхностей, от скорости движения, но не зависит от площади соприкосновения.
Сила трения скольжения одного тела по поверхности другого вычисляется по формуле:
F тр. = k · N ,
где k – коэффициент трения скольжения;
N – сила нормальной реакции, действующая на тело со стороны поверхности.
Сила трения качения возникает между телом, которое перекатывается по поверхности, и самой поверхностью. Такие силы появляются, например, при соприкосновении шин автомобиля с дорожным покрытием.
Величина силы трения качения вычисляется по формуле
где F t – сила трения качения;
f – коэффициент трения качения;
R – радиус катящегося тела;
N – прижимающая сила.
| Выясним, много ли видов сил существует в природе.
На первый взгляд кажется, что мы взялись за непосильную и неразрешимую задачу: тел на Земле и вне ее бесконечное множество. Они взаимодействуют по-разному. Так, например, камень падает на Землю; электровоз тянет поезд; нога футболиста ударяет по мячу; потертая о мех эбонитовая палочка притягивает легкие бумажки (рис. 3.1, а); магнит притягивает желез- ные опилки (рис. 3.1, б)", проводник с током поворачивает стрелку компаса (рис. 3.1, в); взаимодействуют Луна и Земля, а вместе они взаимодействуют с Солнцем; взаимодействуют звезды и звездные системы и т. д. и т. п. Подобным примерам нет конца. Похоже, что в природе существует бесконечное множество взаимодействий (сил)! Оказывается, нет!
Четыре типа сил
В безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, в любом веществе, в живых организмах, в атомах, в атомных ядрах и в мире элементарных частиц мы встречаемся с проявлением всего лишь четырех типов сил: гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых.
Гравитационные силы, или силы всемирного тяготения, действуют между всеми телами - все тела притягиваются друг к другу. Но это притяжение существенно лишь тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел так же велико, как Земля или Луна. Иначе эти силы столь малы, что ими можно пренебречь.
Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сфера их действия особенно обширна и разнообразна. В атомах, молекулах, твердых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными. Велика их роль в атомных ядрах.
Область действия ядерных сил очень ограничена. Они сказываются заметным образом только внутри атомных ядер (т. е. на расстояниях порядка 10~12 см). Уже на расстояниях между частицами порядка Ю-11 см (в тысячу раз меньших размеров атома - 10~8 см) они не проявляются совсем.
Слабые взаимодействия проявляются на еще меньших расстояниях. Они вызывают превращения элементарных частиц друг в друга.
Ядерные силы самые мощные в природе. Если интенсивность ядерных сил принять за единицу, то интенсивность электромагнитных сил составит 10~2, гравитационных - 10 40, слабых взаимодействий -10~16.
Надо сказать, что лишь гравитационные и электромагнитные взаимодействия можно рассматривать как силы в смысле механики Ньютона. Сильные (ядерные) и слабые взаимодейст- вия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл. Если и в этих случаях употребляют термин «сила», то лишь как синоним слова «взаимодействие».
Силы в механике
В механике обычно имеют дело с силами тяготения, силами упругости и силами трения.
Мы не будем здесь рассматривать электромагнитную природу силы упругости и силы трения. С помощью опытов можно выяснить условия, при которых возникают эти силы, и выразить их количественно.
В природе существуют четыре типа сил. В механике изучаются гравитационные силы и две разновидности электромагнитных сил - силы упругости и силы трения.
