Загальні відомості
У фізиці сила визначається як явище, яке змінює рух тіла. Це може бути як рух всього тіла, так і його частин, наприклад, при деформації. Якщо, наприклад, підняти камінь, а потім відпустити, то він впаде, тому що його притягує до землі сила тяжіння. Ця сила змінила рух каменю - з спокійного стану він перейшов в рух з прискоренням. Падаючи, камінь прігнет до землі траву. Тут сила, звана вагою каменю, змінила рух трави і її форму.
Сила - це вектор, тобто, у неї є напрямок. Якщо на тіло одночасно діє кілька сил, вони можуть бути в рівновазі, якщо їх векторна сума дорівнює нулю. В цьому випадку тіло знаходиться в стані спокою. Камінь в попередньому прикладі, ймовірно, покотиться по землі після зіткнення, але, врешті-решт, зупиниться. У цей момент сила тяжіння буде тягнути його вниз, а сила пружності, навпаки, штовхати нагору. Векторна сума цих двох сил дорівнює нулю, тому камінь знаходиться в рівновазі і не рухається.
В системі СІ сила вимірюється в ньютонах. Один ньютон - це векторна сума сил, яка змінює швидкість тіла масою в один кілограм на один метр в секунду за одну секунду.
рівновага
Архімед одним з перших почав вивчати сили. Його цікавило вплив сил на тіла і матерію у Всесвіті, і він побудував модель цієї взаємодії. Архімед вважав, що якщо векторна сума сил, що діють на тіло, дорівнює нулю, то тіло знаходиться в стані спокою. Пізніше було доведено, що це не зовсім так, і що тіла в стані рівноваги також можуть рухатися з постійною швидкістю.
Основні сили в природі
Саме сили надають руху тіла, або змушують їх залишатися на місці. У природі існує чотири основні сили: гравітація, електромагнітне взаємодія, сильне і слабке взаємодія. Вони також відомі під назвою фундаментальних взаємодій. Всі інші сили - похідні цих взаємодій. Сильне і слабке взаємодії впливають на тіла в мікросвіті, в той час як гравітаційне і електромагнітне впливу діють і на великих відстанях.
сильна взаємодія
Найінтенсивніше з взаємодій - сильне ядерне взаємодія. Зв'язок між кварками, які формують нейтрони, протони, і частинки, з них складаються, виникає саме завдяки сильному взаємодії. Рух глюонів, безструктурні елементарних частинок, викликане сильним взаємодією, і передається кваркам завдяки цьому руху. Без сильної взаємодії не існувало б матерії.
електромагнітна взаємодія
Трансформатори на стовпах в місті Кіото, Японія
Електромагнітна взаємодія - друге за величиною. Воно відбувається між частинками з протилежними зарядами, які притягуються один до одного, і між частинками з однаковими зарядами. Якщо обидві частки мають позитивний або негативний заряд, вони відштовхуються. Рух частинок, яке при цьому виникає - це електрику, фізичне явище, яке ми використовуємо щодня в повсякденному житті і в техніці.
Хімічні реакції, світло, електрику, взаємодія між молекулами, атомами і електронами - всі ці явища відбуваються завдяки електромагнітному взаємодії. Електромагнітні сили перешкоджають проникненню одного твердого тіла в інше, так як електрони одного тіла відштовхують електрони іншого тіла. Спочатку вважалося, що електричне і магнітне впливу - дві різні сили, але пізніше вчені виявили, що це різновид одного і того ж взаємодії. Електромагнітна взаємодія легко побачити за допомогою простого експерименту: зняти з себе вовняний светр через голову, або потерти волосся про вовняну тканину. Більшість тіл має нейтральний заряд, але якщо потерти одну поверхню про іншу, можна змінити заряд цих поверхонь. При цьому електрони пересуваються між двома поверхнями, притягаючи до електронів з протилежним зарядом. Коли на поверхні стає більше електронів, загальний заряд поверхні також змінюється. Волосся, «що постають дибки» коли людина знімає светр - приклад цього явища. Електрони на поверхні волосся сильніше притягуються до атомам з на поверхні светри, ніж електрони на поверхні светри притягуються до атомам на поверхні волосся. В результаті відбувається перерозподіл електронів, що призводить до появи сили, що притягає волосся до светра. В цьому випадку волосся та інші заряджені предмети притягуються не тільки до поверхонь не тільки з протилежним але і з нейтральним зарядами.
слабка взаємодія
гравітаційна взаємодія
Зоряне небо над озером Онтаріо. Міссіссога, Канада
Найслабше взаємодія - гравітаційне. Воно визначає положення астрономічних об'єктів у Всесвіті, викликає припливи і відливи, і через нього кинуті тіла падають на землю. Гравітаційна взаємодія, також відоме як сила тяжіння, притягує тіла один до одного. Чим більше маса тіла, тим сильніше ця сила. Вчені вважають, що ця сила також як і інші взаємодії, виникає завдяки руху частинок, Гравітон, але поки не вдалося знайти такі частинки. Рух астрономічних об'єктів залежить від сили тяжіння, і траєкторію руху можна визначити, знаючи масу оточуючих астрономічних об'єктів. Саме за допомогою таких обчислень вчені виявили Нептун ще до того, як побачили цю планету в телескоп. Траєкторію руху Урана можна було пояснити гравітаційними взаємодіями між відомими в той час планетами і зірками, тому вчені припустили, що рух відбувається під впливом гравітаційної сили невідомої планети, що пізніше і було доведено.
Відповідно до теорії відносності, сила тяжіння змінює просторово-часової континуум - чотиривимірний простір-час. Відповідно до цієї теорії, простір викривляється силою тяжіння, і це викривлення більше близько тел з більшою масою. Зазвичай це більш помітно біля великих тіл, таких як планети. Це викривлення було доведено експериментально.
Сила тяжіння викликає прискорення у тіл, що летять у напрямку до інших тіл, наприклад, падаючих на Землю. Прискорення можна знайти за допомогою другого закону Ньютона, тому воно відомо для планет, чия маса також відома. Наприклад, тіла, падаючі на землю, падають з прискоренням 9,8 метрів в секунду.
Припливи і відливи
Приклад дії сили тяжіння - припливи і відливи. Вони виникають завдяки взаємодії сил тяжіння Місяця, Сонця і Землі. На відміну від твердих тіл, вода легко змінює форму при впливі на неї сили. Тому сили тяжіння Місяця і Сонця притягують воду сильніше, ніж поверхня Землі. Рух води, викликане цими силами, слід за рухом Місяця і Сонця щодо Землі. Це і є припливи і відливи, а сили, при цьому виникають, - Приливоутворюючої сили. Так як Місяць ближче до Землі, припливи більше залежать від Місяця, ніж від Сонця. Коли Приливоутворюючої сили Сонця і Місяця однаково спрямовані, виникає найбільший приплив, званий сізігійний. Найменший прилив, коли Приливоутворюючої сили діють в різних напрямках, називається квадратурних.
Частота припливів залежить від географічного положення водяній маси. Сили тяжіння Місяця і Сонця притягують не тільки воду, а й саму Землю, тому в деяких місцях припливи виникають, коли Земля і вода притягуються в одному напрямку, і коли це тяжіння відбувається в протилежних напрямках. У цьому випадку приплив-відплив відбувається два рази в день. В інших місцях це відбувається один раз в день. Припливи і відливи залежать від берегової лінії, океанських припливів в цьому районі, і розташування Місяця і Сонця, а також взаємодії їх сил тяжіння. У деяких місцях припливи і відливи відбуваються раз в декілька років. Залежно від структури берегової лінії і від глибини океану, припливи можуть впливати на течії, шторму, зміна напрямку і сили вітру і зміна атмосферного тиску. У деяких місцях використовують спеціальний годинник для визначення наступного припливу або відпливу. Налаштувавши їх в одному місці, доводиться налаштовувати їх заново при переміщенні в інше місце. Такі годинники працюють не скрізь, так як в деяких місцях неможливо точно передбачити наступний приплив і відлив.
Сила води, що рухається під час припливів і відливів використовується людиною з давніх часів як джерело енергії. Млини, що працюють на енергії припливів, складаються з водного резервуару, в який пропускається вода під час припливу, і випускається під час відливу. Кінетична енергія води приводить в рух млинове колесо, і отримана енергія використовується для здійснення роботи, наприклад помелу борошна. Існує ряд проблем з використанням цієї системи, наприклад екологічних, але незважаючи на це - припливи є багатообіцяючим, надійним і поновлюваним джерелом енергії.
інші сили
Відповідно до теорії про фундаментальні взаємодії, всі інші сили в природі - похідні чотирьох фундаментальних взаємодій.
Сила нормальної реакції опори
Сила нормальної реакції опори - це сила протидії тіла навантаженні ззовні. Вона перпендикулярна поверхні тіла і спрямована проти сили, що діє на поверхню. Якщо тіло лежить на поверхні іншого тіла, то сила нормальної реакції опори другого тіла дорівнює векторній сумі сил, з якої перше тіло тисне на друге. Якщо поверхню вертикальна поверхні Землі, то сила нормальної реакції опори спрямована протилежно силі тяжіння Землі, і дорівнює їй за величиною. В цьому випадку їх векторна сила дорівнює нулю і тіло знаходиться в стані спокою або рухається з постійною швидкістю. Якщо ж ця поверхня має ухил по відношенню до Землі, і всі інші сили, що діють на перше тіло в рівновазі, то векторна сума сили тяжіння і сили нормальної реакції опори спрямована вниз, і перше тіло ковзає по поверхні другого.
Широкі шини забезпечують краще тертя
Сила тертя
Сила тертя діє паралельно поверхні тіла, і протилежно його руху. Вона виникає при русі одного тіла по поверхні іншого, коли їх поверхні стикаються (тертя ковзання або кочення). Сила тертя також виникає між двома тілами в нерухомому стані, якщо одне лежить на похилій поверхні іншого. У цьому випадку - це сила тертя спокою. Ця сила широко використовується в техніці і в побуті, наприклад при русі транспорту за допомогою коліс. Поверхня коліс взаємодіє з дорогою і сила тертя не дозволяє колесам ковзати по дорозі. Для збільшення тертя на колеса надягають гумові шини, а в ожеледь на шини надягають ланцюга, щоб ще більше збільшити тертя. Тому без сили тертя неможливий автотранспорт. Тертя між гумою шин і дорогий забезпечує нормальне керування автомобілем. Сила тертя кочення менше за величиною сухий сили тертя ковзання, тому остання використовується при гальмуванні, дозволяючи швидко зупинити автомобіль. У деяких випадках, навпаки, тертя заважає, так як через нього зношуються тертьові поверхні. Тому його прибирають або зводять до мінімуму за допомогою рідини, так як рідинне тертя набагато слабкіше сухого. Саме тому механічні деталі, наприклад, велосипедну ланцюг, часто змащують маслом.
Цікаві факти про силу
Сили можуть деформувати тверді тіла, а також змінювати обсяг рідин і газів і тиск в них. Це відбувається коли дія сили розподіляється по тілу або речовини нерівномірно. Якщо досить велика сила діє на важке тіло, його можна стиснути його то до дуже маленького кулі. Якщо розмір кулі менше певного радіусу, то тіло стає чорною дірою. Цей радіус залежить від маси тіла і називається радіусом Шварцшильда. Обсяг цієї кулі настільки малий, що, в порівнянні з масою тіла, майже дорівнює нулю. Маса чорних дір сконцентрована в такому незначно малому просторі, що у них величезна сила тяжіння, яка притягує до себе всі тіла і матерію в певному радіусі від чорної діри. Навіть світло притягається до чорної діри і не відбивається від неї, тому чорні діри дійсно чорні - і називаються відповідно. Вчені вважають, що великі зірки в кінці життя перетворюються в чорні діри і ростуть, поглинаючи навколишні предмети в певному радіусі.