Какие типы сил существуют в природе. Силы в природе

«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

До сих пор использовалось общее понятие силы, и не рассматривался вопрос о том, какие бывают силы и что они собой представляют. Несмотря на многообразие сил, встречающихся в природе, все их можно свести к четырем видам фундаментальных сил: 1) гравитационные; 2) электромагнитные; 3) ядерные; 4) слабые.

Гравитационные силы возникают между любыми телами. Их действие надо учитывать лишь в мире больших тел.

Электромагнитные силы действуют на заряды как неподвижные, так и движущиеся. Поскольку вещество построено из атомов, которые, в свою очередь состоят из электронов и протонов, то большинство сил, с которыми мы встречаемся в жизни - это электромагнитные силы. Ими являются, например, силы упругости, возникающие при деформации тел, силы трения.

Ядерные и слабые силы проявляют себя на расстояниях, не превышающих м, поэтому эти силы заметны лишь в микромире. Вся классическая физика, а вместе с ней и понятие силы, неприменимы к элементарным частицам. Характеризовать точным образом взаимодействие этих частиц с помощью сил нельзя. Единственно возможным здесь становится энергетическое описание. Тем не менее, и в атомной физике часто говорят о силах. В этом случае терминсила становится синонимом слова взаимодействие .

Таким образом, в современной науке слово сила употребляется в двух смыслах: во-первых, в смысле механической силы – точной количественной меры взаимодействия; во-вторых, сила означает наличие взаимодействия определенного типа, точной количественной мерой которого может быть только энергия .

В механике рассматриваются три типа сил: гравитационные, упругие и силы трения. Кратко остановимся на них.

1. Гравитационные силы . Все тела в природе притягиваются друг к другу. Эти силы получили название гравитационных. Ньютон установил закон, названный законом всемирного тяготения : силы, с которыми притягиваются материальные точки, пропорциональны произведению их масс, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющих их, т.е.

, (2.16)

где М и т – массы тел; r – расстояние между телами;   гравитационная постоянная. Знак «» указывает на то, что это сила притяжения.

Из формулы (2.16) следует, что при т = М = 1 кг и r = 1 м,  = F , т.е. гравитационная постоянная равна модулю силы притяжения материальных точек единичной массы, находящихся на единичном расстоянии друг от друга. Впервые опытное доказательство закона всемирного тяготения проведено Кавендишем. Он сумел определить величину гравитационной постоянной:
. Очень малая величина указывает на то, что сила гравитационного взаимодействия значительна только в случае тел с большими массами.

2. Силы упругости . При упругих деформациях возникают силы упругости. Согласно закону Гука , модуль упругой силы
пропорционален величине деформациих , т.е.

, (2.17)

где k  коэффициент упругости. Знак «» определяет тот факт, что направление силы и деформации противоположны.

3. Силы трения . При перемещении соприкасающихся тел или их частей относительно друг друга возникают силы трения . Различают внутреннее (вязкое) и внешнее (сухое) трение.

Вязким трением называют трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды.

Внешним трением называют явление возникновения в месте контакта соприкасающихся твердых тел сил, препятствующих их взаимному перемещению. Если соприкасающиеся тела неподвижны, то между ними возникает сила при попытке сдвинуть одно тело относительно другого. Она называется силой трения покоя . Сила трения покоя не является однозначно определенной величиной. Она меняется от нуля до максимального значения силы, приложенной параллельно плоскости соприкосновения, при которой тело начинает двигаться (рис. 2.3).

Обычно силой трения покоя и называют эту максимальную силу трения. Модуль силы трения покоя
пропорционален модулю силы нормального давления, который по третьему закону Ньютона равен модулю силы реакции опорыN , т.е.
, где
 коэффициент трения покоя.

При движении тела по поверхности другого тела возникает сила трения скольжения . Установлено, что модуль силы трения скольжения
так же пропорционален модулю силы нормального давленияN

, (2.19)

где   коэффициент трения скольжения. Установлено, что
, однако при решении многих задач их считают равными.

При решении задач учитывают следующие виды сил:

1. Сила тяжести
 сила, с которой гравитационное поле Земли действует на тело (приложена эта сила к центру масс тела).

2. Вес тела  сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или нить, удерживающую его от свободного падения (сила упругости по своей природе). Приложена сила к опоре (нити). В инерциальной системе отсчета
.

3. Сила реакции опоры  сила, с которой поверхность опоры действует на тело (сила упругости по своей природе). Сила приложена к телу со стороны опоры и перпендикулярна поверхности соприкосновения.

4. Сила натяжения нити  сила, с которой нить действует на тело, подвешенное к нити. Сила приложена к телу и направлена вверх по нити.

5. Сила трения
.

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.

Сила - мера механического взаимодействия тел. Сила является причиной изменения скорости тела или возникновения в нём деформаций (изменение формы или объема). Сила − векторная величина, характеризующаяся модулем (величиной), направлением и точкой приложения силы. Линия действия силы - прямая, проходящая через точку приложения силы, и продолжающая направление вектора силы. Единицей измерения силы в системе СИ является Ньютон [Н]. Все силы в природе основаны на четырех типах фундаментальных взаимодействий:

• электромагнитные силы, действующие между электрически заряженными телами,
• гравитационные силы, действующие между массивными объектами,
• сильное ядерное взаимодействие, действующее в масштабах порядка размера атомного ядра и меньше (отвечает за связь между кварками в адронах и за притяжение между нуклонами в ядрах).
• слабое ядерное взаимодействие, проявляющееся на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра.

Интенсивность сильного и слабого взаимодействия измеряется в единицах энергии (электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина «сила» условно. Действие силы может место как при непосредственном контакте (трение, давление те друг на друга при непосредственном контакте), так и посредством создаваемых телами полей (поле тяготения, электромагнитное поле). Интересный и познавательный сайт http://mistermigell.ru для вас.
С точки зрения действия сил на систему, рассматривают:

• внутренние силы - силы взаимодействия между точками (телами) данной системы;
• внешние силы - силы, действующие на точки (тела) данной системы со стороны точек (тел), не принадлежащих данной системе. Внешние силы называют нагрузками.

Силы можно разделить на:

• реактивные силы − реакции связи. Если движение тела в пространстве ограничивается другими тела (связями, опорами), силы, с которыми эти тела действуют на данное тело, называют реакциями связи (опоры).
• активные силы - силы, характеризующие действие других тел на данное и изменяющее его кинематическое состояние. Активны силы, в зависимости от вида контакта, подразделяются на
• объемные - силы, действующие на каждую частицу тела, например, вес тела;
• поверхностные - силы, действующие на участок тела и характеризующие непосредственный контакт тел. Поверхностные силы бывают:
• сосредоточенными - действующими на площадках, которые малы по сравнению с телом, например, давление колеса на дорогу;
• распределенными - действующими на площадках, которые не малы по сравнению с телом, например, давление гусеницы трактора на дорогу.

Наиболее известные силы:
Силы упругости − силы, возникающие при деформации тела и противодействующие этой деформации, имеет электромагнитную природу, являясь проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы упругости направлен противоположно перемещению, перпендикулярно поверхности. Например, если сжать резинку, после снятия нагрузки она восстановит свою форму под действием силы упругости.
Силы трения − сила, возникающие при относительном движении твёрдых тел и противодействующие этому движению, имеют электромагнитную природу, являясь макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы трения направлен противоположно вектору скорости. Например, сила трения возникает при скольжении санок по снегу, между подошвой ног и землей.
Силы сопротивления среды — силы, возникающие при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде, имеют электромагнитную природу, являясь проявлением межмолекулярного взаимодействия. Вектор силы сопротивления направлен противоположно вектору скорости. Например, при движении самолета в воздухе.
Силы поверхностного натяжения − силы, возникающие на поверхности фазового раздела, имеют электромагнитную природу, являясь проявлением межмолекулярного взаимодействия. Сила натяжения направлена по касательной к поверхности раздела фаз. Например, монетка может лежать на поверхности жидкости, насекомые бегают по воде.
Сила всемирного тяготения − сила, с которой любые тела Вселенной притягивают друг друга, она прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Например, Земля притягивается к Солнцу, и, в то же время, Земля притягивает Луну и Солнце.
Сила тяжести − сила, действующая на тело со стороны Земли, которая сообщает ему ускорение свободного падения. Сила тяжести - это сумма сил гравитационного притяжения и центробежной силы вращения Земли. Например, под действием силы тяжести тела падают Земли.
Сила инерции − фиктивная сила (не является мерой механического взаимодействия), вводимая при рассмотрении относительного движения в неинерциальных системах отсчёта (движущихся с ускорением) для того, чтобы в них выполнялся второй закон Ньютона. В системе отсчёта, связанной с равноускоренно движущимся телом, сила инерции направлена противоположно ускорению. Из полной силы инерции могут быть для удобства выделены центробежная сила, направленная от оси вращение тела, и сила Кориолиса, возникающая при движении тела относительно вращающейся системы отсчета.
Существуют и другие силы.

Денис, 6 класс, ХФМЛ % 27

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.