Физика

Введение

 

Здравствуйте!

 

Животные состоят из клеток. Но при описании поведения животное рассматривается как единое целое. Либо рассматриваются части животного – органы и системы органов, например, если мы говорим о заболеваниях. Выбранная модель зависит от решаемой задачи, это всё инструменты нашего мышления.

 

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.

 

---

Фундаментальные взаимодействия

Какие взаимодействия встречаются в природе? С одной стороны, ответить на этот вопрос нельзя: взаимодействий бесконечно много, каждое взаимодействие можно описывать отдельно, с помощью новой модели. Но много ли нужно таких моделей? Например, взаимодействие любой нити с грузом мы объединили моделью «сила натяжения» (см. рис. 22). Рис. 22. Модель «сила натяжения» Силу натяжения, силу упругости, вес, силу трения можно тоже объединить, найти в них нечто общее. Их причина – межмолекулярное взаимодействие, которое происходит из-за взаимодействия заряженных частиц, из которых состоят атомы (см. рис. 23). Рис. 23. Межмолекулярное взаимодействие Оказывается, что любые взаимодействия в природе можно рассматривать как проявления одного из четырёх взаимодействий, которые назвали фундаментальными. Первый вид взаимодействия – это гравитационное взаимодействие. По-другому его еще называют силой тяготения (см. рис. 24). Рис. 24. Гравитационное взаимодействие Это взаимодействие определяется массами тел. Второй вид взаимодействия – это электромагнитное взаимодействие. Оно часто описывается с помощью двух моделей: электрическое и магнитное взаимодействие (см. рис. 25). Рис. 25. Электромагнитное взаимодействие Третий и четвёртый виды – это сильное и слабое взаимодействия. Подробнее о них чуть позже. Гравитационное взаимодействие более слабое, чем электрическое и сильное, поэтому обычно мы говорим о нём в масштабах космических тел. Мы ощущаем своё притяжение к Земле, ведь Земля обладает огромной массой, но мы не ощущаем своего притяжения, например, к столу, к доске либо к другим телам, массы которых малы по сравнению с массой Земли (см. рис. 26). Рис. 26. Примеры гравитационного взаимодействия В электромагнитное взаимодействие вступают тела, обладающие электрическим зарядом (см. рис. 27). Рис. 27. Взаимодействие электрических зарядов В состав любого атома входят заряженные частицы: электроны, протоны, которые взаимодействуют посредством электромагнитного поля (см. рис. 28). Рис. 28. Взаимодействие заряженных частиц в атоме Именно из-за электромагнитного взаимодействия возникают такие механические силы, как сила трения и сила упругости (см. рис. 29). Рис. 29. Силы трения и упругости Эти силы мы рассматриваем в механике (по их проявлению), хотя их природа именно электромагнитная. К открытию сильного взаимодействия привело решение следующей задачи: учёные задумались, каким же образом протоны, которые заряжены положительно и входят в состав ядра, удерживаются вместе, ведь одноимённо заряженные тела должны отталкиваться. Именно тогда учёные предположили, что протоны в ядре удерживает особый вид взаимодействия. Оно более сильное, чем электромагнитное, раз не даёт заряженным частицам разбежаться, и поэтому получило название «сильное» (см. рис. 30). Рис. 30. Сильное взаимодействие Его особенность в том, что сила взаимодействия быстро убывает с расстоянием, поэтому оно наблюдается на очень маленьких расстояниях – порядка размера атомного ядра. Как только мы удаляем протон немного дальше, взаимодействие резко ослабевает (см. рис. 31). Рис. 31. Сила взаимодействия уменьшается с увеличением расстояния Итак, сильное взаимодействие обеспечивает сохранность атомного ядра. И наконец, слабое взаимодействие. Благодаря этому происходят некоторые процессы в мире элементарных частиц, о которых мы поговорим позже (например, бета-распад радиоактивных элементов (см. рис. 32)). Рис. 32. Пример процесса, в котором проявляется слабое взаимодействие Итак, в природе наблюдается четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. На данный момент не прекращаются попытки объединить четыре модели фундаментальных взаимодействий в одну универсальную. То есть представить гравитацию, электромагнетизм и т. д. как разные проявления одного фундаментального взаимодействия. Кое-что в этом направлении уже удалось сделать: объединить электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие в одну модель. Но пока не удаётся объединить эту модель с моделью гравитации.

---

 

Если бы можно было учесть все фундаментальные взаимодействия частиц тел, то мы бы смогли точно описать положение каждой частицы в любой момент времени.

Но даже капля воды состоит приблизительно из  молекул – это в сотни миллиардов раз больше, чем людей на Земле! То есть даже описание взаимодействия всех молекул одной капли воды практически невыполнимая задача. Но нужно ли нам описывать все эти взаимодействия? Ведь чаще всего нас интересует движение всего тела: летит самолёт, вращается юла, качается ветка на ветру. Это всё равно, что рассматривать поведение животного по клеткам. Поэтому в физике используется модель физического тела.

 

Модели физического тела и материальной точки

 

 

Если нам важно, как движется всё тело, а не отдельные его части, то мы будем рассматривать силу, действующую на физическое тело в целом. Например, столкнулись два бильярдных шара. Нас не интересует, что происходило с тем огромным количеством частиц шаров в месте контакта. Нам важно, как и куда полетят оба шара (см. рис. 33).

 

Рис. 33. Задача о бильярдных шарах

Поэтому мы можем применять модель: один шар действует с некоторой силой на второй шар. Используя модель, мы обязательно должны установить границы её применимости. И корректно работать модель будет только в этих рамках.

Например, можно ли рассматривать падающую воду как тело? Если это не тонкая струя, то для нахождения силы тяжести, времени падения можно применить модель тела, рассматривая воду как единое целое (см. рис. 34).

Рис. 34. Модель капли воды как единого целого

Но иногда нам нужно узнать форму, которую приобретёт вода, или посмотреть, сколько капель отделится за время падения (см. рис. 35).

Рис. 35. Отделившиеся капли

Тогда применение модели тела к воде нам не поможет. Используя модель физического тела, мы не можем оценить, что происходит с отдельными его частями.

Итак, вместо описания взаимодействия огромного количества отдельных частиц удобнее пользоваться упрощённой моделью. При этом важно понимать, какие ограничения имеет эта модель и когда её можно применять.

Давайте рассмотрим ещё одну физическую модель – материальную точку. Мы применяем её, если в рамках данной задачи нам не важны размеры физического тела. Например, при движении автомобиля из города в город его размеры слишком малы на фоне расстояния между городами (см. рис. 36).

Рис. 36. Автомобиль на карте между городами – пример материальной точки

Мы можем рассматривать его как материальную точку. Если же автомобиль паркуется, то размеры автомобиля сопоставимы с размерами окружающих объектов и модель материальной точки использовать нельзя (см. рис. 37).

Рис. 37. Модель материальной точки использовать нельзя

Чтобы рассмотреть движение одного тела, нужно рассмотреть силы, действующие только на это тело. Вспомним, что сила – векторная величина. Она имеет модуль и направление (см. рис. 38).

  

Рис. 38. Сила – векторная величина

Но для модели физического тела нужно знать ещё и точку приложения силы. Действуя на разные части тела, одна и та же сила будет менять их положение по-разному. Например, можно передвинуть шкаф, приложив к нему определённую силу. Но если приложить ту же силу достаточно высоко – шкаф может просто перевернуться (см. рис. 39).

Рис. 39. Точка приложения силы

Если же используется модель материальной точки, то указывать точку приложения силы бессмысленно. Можно считать, что все силы как раз и приложены к этой самой точке, за которую мы принимаем всё тело (см. рис. 40).

Рис. 40. Приложение сил к материальной точке

Используя модель материальной точки, мы не интересуемся относительным движением частей тела. Нам важно знать, как тело в целом будет двигаться под действием всех сил, действующих на него: если пол в квартире не даёт нам провалиться на этаж ниже, то не важно, к чему приложена сила реакции опоры пола: к подошвам, животу или голове (см. рис. 41).

   

Рис. 41. Точки приложения силы опоры

 

Вывод

 

 

Все силы, изучаемые в механике: сила упругости, сила трения, сила и тяжести и прочие – удобный способ описания взаимодействия тел. Подробнее о различных силах и видах взаимодействий вы узнаете из уроков данного раздела. На этом урок окончен, спасибо за внимание!

 

 

Список литературы

1. Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Физика 10 кл.: Учебник для общеобразовательных учреждений. Базовый и профильный уровни – 19-е изд. – М.: Просвещение, 2010. – 374 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «astrotime.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «ru.solverbook.com» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Что такое сила? Для решения какого рода задач введено это понятие?
2. Сколько типов фундаментального взаимодействия? Назовите их. Приведите пример каждого типа взаимодействия.
3. Приведите несколько своих примеров, когда к одному и тому же явлению или объекту можно применить разные модели.