Детская энциклопедия

Меню сайта











Сила

Понятие силы имеет очень важное значение для всей физики, потому что именно сила — причина, которая изменяет движения физиче­ских тел. Хотя мы очень часто чувствуем на себе действие различных сил, определить, что такое сила, довольно сложно. Механика изу­чает различные силы главным образом по их действию на тела. Если мы замечаем, что какое-либо тело изменило скорость или направление движения, то мы говорим, что на него подей­ствовала сила. Поэтому наиболее употребитель­но определение: сила — это действие одного тела на другое. Но в этой формулировке очень мало положительного содержания, так как она не вскрывает механизм действия.

То, что у сил различная природа, видно хотя бы из следующих примеров. Мускульным усилием мы сдвигаем нагруженную тележку, и она, достигнув определенной скорости, ка­тится равномерно. Здесь проявляется действие одного тела (наших рук) на другое (тележка). Сила трения постепенно останавливает желез­нодорожный вагон, который двигается по инер­ции.

Но вот пример другой силы: камень падает на землю с равномерным ускорением. На него действует сила тяготения. Эта сила несколько необычна, потому что здесь одно тело (Земля) действует на другое (камень) на расстоянии без какого-либо промежуточного контакта. Силы всемирного тяготения распространяются на всю Вселенную и действуют между всеми материаль­ными телами, как бы далеко они друг от друга ни находились. Силы электростатического и магнитного притяжений похожи на силу тяго­тения потому, что эти силы тоже действуют на расстоянии.

Существует и третий вид силы, она называет­ся силой инерции. Ее мы особенно хорошо чув­ствуем, когда автобус сильно тормозит или де­лает резкий поворот.

Мы уже говорили, что силы, действующие между различными телами, одинаковы относи­тельно инерциальных систем отсчета. Здесь уместно сказать несколько слов о неинерциальных системах отсчета. Можно себе представить наблюдателя, который двигается не равномер­но, а с ускорением. Тогда весь физический мир будет ему казаться совершенно иным, и он об­наружит, что на тела действуют силы, которых фактически нет.

Пусть, например, некто ведет свои наблюде­ния сквозь стеклянные стенки кабины лифта, которая свободно падает в глубокий колодец. При таком падении наблюдатель будет в состоя­нии невесомости; следовательно, он может счи­тать, что сила тяжести на него не действует! Измеряя скорость движения различных тел относительно себя (например, скорость движе­ния стены шахты, в которой происходит паде­ние), он установит, что стена двигается равномер­но ускоренно и, значит, по закону Ньютона на нее должна действовать сила.

Но здравый смысл подсказывает парашю­тисту в затяжном прыжке, что Земля все бы­стрее и быстрее приближается к нему не пото­му, что ей сообщает ускорение какая-то сила. Он знает, что закон Ньютона здесь следует понимать так: именно он, парашютист, па­дает с равномерным ускорением.

В земных условиях сравнительно просто определить, к какому телу приложена сила. Но представим себя в космическом простран­стве. Мы наблюдаем за какой-нибудь далекой звездой и обнаруживаем, что она ускоренно движется к нам. Предположим, что нам известна ее масса. Тогда мы определим действующую на нее силу и на основании этого можем сделать несколько различных предположений:

1. Звезда неподвижна, никакая сила на нее не действует, а мы падаем на ее поверхность.

2. Мы двигаемся равномерно и прямоли­нейно, а звезда — это гигантский космический корабль, набирающий скорость.

3. И мы и звезда двигаемся под действием разных сил. Может быть, звезду притягивает к себе какое-то огромное, невидимое материаль­ное тело.

Решить, какое из предположений правильно, очень трудно, пока не будут проведены допол­нительные исследования. Эти трудности воз­никают потому, что в неинерциальных системах отсчета, кроме «обычных» сил, появляются еще «фиктивные» силы как внутри системы отсчета, так и вне ее. Пример действия фиктивной силы — ускоренное движение стен шахты, наблюдае­мое из свободно падающей кабины лифта. Фик­тивные силы мы определяем только на основа­нии измерений. Однако внутри неинерциальной системы обычные, нефиктивные силы не менее реальны, чем и вне этой системы.

Вспомним, например, силу перегрузки, ко­торую испытывает космонавт на активном участ­ке траектории космического корабля. Двигаясь ускоренно против силы тяжести, можно создать перегрузку в несколько раз большую, чем си­ла тяжести на поверхности Земли. Недаром перегрузки обычно измеряются в единицах g (g — ускорение силы тяжести на поверхно­сти Земли). Если космонавт испытывает пере­грузку в 5g, то это значит, что его вес стано­вится в пять раз больше, чем на Земле.

Эти силы вызваны инерцией: тело, в соот­ветствии с первым законом Ньютона, стремит­ся сохранить состояние покоя или равномер­ного и прямолинейного движения. Изменение этого состояния приводит, по закону действия и противодействия, к «сопротивлению» тела. Вот почему иногда закон действия и противо­действия записывают в форме:

 

 где F — действующая сила, а ma — сила инер­ции. Сила инерции пропорциональна массе тела.

В механике, по существу, приходится иметь дело с двумя видами массы. Чтобы в этом ра­зобраться, запишем второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения:

 

 

 Вторая формула выражает силу взаимного притяжения между массами m и M, R — рас­стояние между телами, а  γ — так называемая гравитационная постоянная. В одном случае тело находится под действием си­лы F, а во втором — под действием силы при­тяжения f. Должны ли мы в обоих случаях под массой т понимать одну и ту же величину?

Считается, что обе массы одинаковы, хотя в классической механике это ниоткуда не сле­дует и никак не доказывается. Действительно, во втором законе Ньютона масса т — это мера «сопротивляемости» тела действию силы или мера инерции. Чем больше масса, тем больше она сопротивляется воздействию силы и поэ­тому при одном и том же значении действующей силы приобретает меньшее ускорение.

В законе же всемирного тяготения масса т участвует в некоем «таинственном» взаимодей­ствии с другой массой, отделенной от нее рас­стоянием R. Здесь масса «активна» в ее дей­ствии на другую массу, в отличие от «пассивной», сопротивляющейся массы инерции. Эту актив­ную массу называют гравитационной.

Она «имеет право» быть отличимой от инер­ционной массы. Эйнштейн рассматривал все­мирное тяготение не как свойство, присущее материальным телам, а как свойство простран­ства вблизи материальных тел. Он исходил из того, что гравитационное притяжение не зависит от внутренней структуры вещества.

А в природе существуют силы, для которых внутренняя структура тел не безразлична. Маг­нит, например, притягивает далеко не каждое тело. Диамагнитные вещества магнитное поле даже отталкивает. Причина этого в глубоких особенностях атомной и молекулярной струк­туры.

Гравитационное же притяжение масс не за­висит от их химической и физической природы. Кроме того, доказано и опытным путем, и тео­ретически, что скорость падения различных тел на Землю не зависит от их массы. В вакууме пушинка и килограммовая гиря будут падать с любой высоты с одинаковой скоростью.

Утверждая справедливость преобразования Галилея (см. Неравномерное движение), мы выдвинули гипотезу об изотропном и однородном пространстве. Такая гипотеза верна, если предположить, что свойства пространства не зависят от присут­ствия в нем материальных тел. Эйнштейн, исхо­дя из тождественности инерционной и грави­тационной масс, высказал предположение, что пространство изменяет свои свойства вблизи материальных тел, что оно перестает быть од­нородным и изотропным, а траектории движения других тел в таком пространстве искривляются. Наблюдатель воспринимает такое изменение пространственных свойств как действие зако­на всемирного тяготения. Предположение Эйн­штейна впоследствии было неоднократно под­тверждено на опытах.

Чтобы закончить рассказ о силах, мы рас­смотрим один интересный класс сил, которые действуют не в направлении движения тел.

Скорость и ускорение тела и расстояние до него от исходной точки отсчета — все это величины векторные, т. е. у них есть направление. Если тело свободно пе­редвигается в пространстве, направление его движения совпадает с направлением действия силы.

Однако это происходит иначе, если движе­ние тела «связанно». Например, движение по круговой траектории обладает замечательным свойством: направление скорости движения и направление действия центростремительной си­лы взаимно перпендикулярны. Планеты, дви­гаясь по эллиптическим орбитам вокруг Солн­ца, испытывают действие центростремительных сил, которые направлены под углом к вектору их движения. Центростремительная сила урав­новешивается силой притяжения к Солнцу, так что результирующая сила равна нулю и планеты движутся по инерции.

Может показаться странным, что мы гово­рим об инерции на криволинейной орбите, ведь инерциальное движение, согласно уче­нию Ньютона, возможно лишь по прямым линиям. Именно здесь-то и сказывается выдви­нутое Эйнштейном положение о том, что пря­мые, по которым могут двигаться тела по инер­ции, становятся вблизи материальных тел кри­выми. Опыты показали, что вблизи Солнца даже свет искривляет свой путь. А ведь его прямолинейное распространение раньше не вы­зывало сомнения.

Существует инерционная сила, действие ко­торой не проявляется, пока тело неподвижно, но она сразу же обнаруживает себя, как только тело начинает двигаться. По радиусу вращаю­щегося диска («колеса смеха») передвигается тело за время t из точки А в точку В. Если точка А находится от центра на расстоянии R1, а точка В — на расстоянии R2, то линейная скорость вращения этих точек будет ωRl и ωR2, где ω— круговая частота вращения диска. Значит, за время t скорость тела в направлении, перпендикулярном радиусу, изменится на ве­личину

ω(R2-R1). Следовательно, на него будет действовать ускорение

 

или сила F=mωv.

Если скорость тела v вдоль радиуса диска равна нулю, сила F тоже равна нулю. Действу­ет эта сила перпендикулярно движению тела по диску. Называется она силой Кориолиса. На Земле эта сила, например, проявляется при течении рек вдоль меридианов (рис. 5). Если река течет с севера на юг, то вследствие вращения Земли с запада на восток действует сила Кориолиса и вода подмывает западный берег; если с юга на север — то восточный. В юж­ном полушарии все это происходит наоборот.





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016