Основные виды механических сил

 

В природе существует много разных видов сил: тяготения, тяжести, Лоренца, Ампера, взаимодействия неподвижных зарядов и т.д., но все они в конечном счете сводятся к небольшому числу фундаментальных (основных) взаимодействий. Современная физика считает, что существует в природе лишь четыре вида сил или четыре вида взаимодействий:

1) гравитационное взаимодействие (осуществляется через гравитационные поля);

2) электромагнитное взаимодействие (осуществляется через электромагнитные поля);

3) ядерное (или сильное) (обеспечивает связь частиц в ядре);

4) слабое (отвечает за процессы распада элементарных частиц).

В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными силами, а также с упругими силами и силами трения.

1. Сила всемирного тяготения. Это сила, с которой два материальных тела притягиваются друг к другу. Сила тяготения зависит от расстояния и для двух материальных точек с массами т₁ и т₂ находящихся на расстоянии r друг от друга, выражается равенством

F =G m₁ m₂/r², (3)

где G — гравитационная постоянная (в СИ G = 6, 673 10^-11м³/кг с²).

2. Сила тяжести. Это постоянная сила, действующая на любое тело, находящееся вблизи земной поверхности. Ясно, что данная сила является частным случаем силы всемирного тяготения, поэтому

F_Т = G mМ/R², (4)

где m – масса тела, М и R – масса и радиус Земли. Величина

g = G М/R²

называется ускорением свободного падения. Тогда

F_T = mg. (5)

Сила тяжести, как и величина g, изменяются с изменением широты и высоты над уровнем моря, масса же является для данного тела величиной неизменной. При решении большинства задач полагают g = 9, 8 м/с².

Для экспе­риментального определения массы данного тела можно исходить из равенства (1), куда масса входит как мера инертности и называется, поэтому инертной массой. Однако можно исходить и из равенства (4), куда масса входит как мера гравитационных свойств тела и называется соответственно гравитационной массой. В принципе ни откуда не следует, что инертная и гравитационная массы пред­ставляют собой одну и ту же величину. Однако целым рядом экспе­риментов установлено, что значения обеих масс совпадают с очень высокой степенью точности. Поэтому в механике пользуются единым терми­ном «масса», определяя массу как количественную меру инертности тела и его гра­витационных свойств.

3. Вес тела. Это сила P , с которой тело действует на опору или подвес. Не следует путать вес тела и силу тяжести, так как они приложены к разным телам. Кроме того, P = F_T = mg только в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения. При решении задач Р, как правило, находится по третьему закону Ньютона.

4. Сила упругости.

Эта сила возникает в результате взаимодействия тел, сопровождающегося их деформацией. Она пропорциональна величине деформации и направлена против деформации.

.

В частности, для силы упругости пружины

F= k , (7)

где удлинение (или сжатие) пружины, k - коэффициент жесткости пружины (в СИ измеряется в Н/м).

Сила реакции опоры . Направлена по общей нормали к поверхно­стям соприкасающихся тел в точке их касания и приложена в этой точке (рис. 6а). Когда одна из соприкасающихся поверхностей является точ­кой (рис. 6, б), то реакция направлена по нормали к другой поверхности.

 

Рис.6 Рис.7

Сила натяжения нити . направлена вдоль нити к точке ее подвеса (рис.7).

5. Сила трения. Так кратко называют силу трения скольжения, действующую (при отсутствии жидкой смазки) на движущееся тело. Ее модуль определяется равенством

,

где µ — коэффициент трения, который чаще считают постоянным. N - нормальная реакция. Направлена против движения.

6. Сила трения покоя – это сила, действующая между соприкасающимися телами, находящимися в состоянии покоя, равная по величине и противоположно направленная силе, понуждающей тело к движению.

До возникновения скольжения сила трения покоя может иметь любое направление и принимать любое значение от нуля до некоторого максимального, при котором возникает скольжение: .

Силу трения покоя, равную по модулю внешней силе, при которой начинается скольжение данного тела по поверхности другого, называют максимальной силой трения покоя.

Французские физики Г.Амонтон и Ш.Кулон установили, что: максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры (нормального давления) и не зависит от площади соприкосновения трущихся тел

,

где m₀ – коэффициент трения покоя, зависит от физической природы соприкасающихся тел и

7. Сила трения качения. При качении тела по поверхности другого возникает особая сила – сила трения качения, которая препятствует качению тела. Сила терния качения при тех же материалах соприкасаемых тел всегда меньше силы терния скольжения. Этим пользуются на практике, заменяя подшипники скольжения шариковыми или роликовыми подшипниками. Кулон опытным путем установил для катящегося цилиндра радиуса R: , где m_К – коэффициент трения качения, величина которого уменьшается с увеличением твердости материала и шероховатости его поверхности. Для катящегося обода .

 

8. Сила вязкого трения. Такая сила, зависящая от скорости, действует на тело при его медленном движении в очень вязкой среде (или при наличии жидкой смазки) и может быть вы­ражена равенством

R= , (8)

где υ — скорость тела, — коэффициент сопротивления.

9. Сила аэродинамического (гидродинамического) сопротивления. Эта сила также зависит от скорости и действует на тело, движущееся в такой, например, среде, как воздух или вода. Обычно ее величину выражают равенством

R=0, 5c_x Sυ ²,

где — плотность среды; S — площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения (площадь миделя), с_х — безразмерный коэффициент сопротивления, определяемый обычно экспериментально и зависящий от формы тела и от того, как оно ориентировано при движении.

Упругие силы и силы трения определяются характером взаимодействия между молекулами вещества, которое имеет электромагнитное происхождение. Следовательно, они по своей природе имеют электромагнитные происхождения. Гравитационные и электромагнитные силы являются фундаментальными – их нельзя свести к другим, более простым силам. Упругие силы и силы трения не являются фундаментальными.

 

2.3. Преобразования Галилея.

Предыдущая1234567Следующая

Поделиться:

Популярное:

1. Different Kinds of Money. Различные виды денег
2. I. 49. Основные принципы разработки системы применения удобрений.
3. I. Основные подходы к определению и изучению культуры.
4. I. Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах
5. I. Основные черты и особенности западноевропейской культуры XIX века
6. I. Основные черты и особенности западноевропейской культуры XIX века.
7. I. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ, ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ СФЕРЫ КУЛЬТУРЫ И ИСКУССТВА
8. II. 36. Основные задачи семеноводства.
9. II. Основные электромеханические процессы
10. II. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ВКР
11. II. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ВИДЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ.
12. III. 35. Виды тех. карт и методика расчёта затрат на возделывание с/х культур.