18. Тертя

Тертя́ — сукупність явищ, що спричиняють опір рухові одне відносно одного макроскопічних тіл (зовнішнє тертя) або елементів одного і того ж тіла (внутрішнє тертя), при якому механічна енергія розсіюється переважно у вигляді тепла. Зовнішнє тертя відбувається на границі контакту двох твердих тіл. Внутрішнє тертя виникає у потоках рідини або при деформації твердого тіла, між частинами, що переміщуються одна відносно одної.

Зовнішнє тертя (тертя) — явище опору відносному переміщенню, яке виникає між двома тілами в зонах контакту їх поверхонь, тангеціально до них. (ДСТУ 2823-94)Сила, що виникає у результаті тертя має назву — сила тертя.При наявності відносного руху двох тіл, що контактують між собою сили тертя, котрі виникають при цьому, можна поділити на:

• Тертя руху — зовнішнє тертя двох тіл, що рухаються одне відносно одного^[1], до якого відносяться:

  • Тертя ковзання — зовнішнє тертя руху, під час якого швидкості тіл в точках дотику відрізняються за величиною і (чи) напрямком^[1] і діє на тіло у напрямку, протилежному до напрямку проковзування;

  • Тертя кочення — тертя руху, під час якого швидкості тіл однакові за величиною і напрямком, принаймні, в одній точці зони контакту^[1] і виникає при коченні одного з двох контактуючих тіл одне відносно одного;

  • Тертя кочення з проковзуванням — тертя руху двох тіл з одночасним тертям кочення і ковзання в зоні контакту^[1].

• Тертя спокою — тертя між двома твердими тілами за відсутності їх руху одне відносно одного^[1]. Це вид тертя виникає між двома тілами, котрі перебувають у взаємному контакті, і перешкоджає виникненню відносного руху. Його слід подолати для того, щоб привести у рух одне відносно одного два контактуючих тіла. Сила тертя спокою діє протилежно до напрямку ймовірного руху.

Фізична природа тертя до кінця не вивчена. Існують різні наукові школи, які трактують природу тертя з різних позицій, наприклад з точки зору фізики металів, електричної природи і т.д.

При терті енергія макроскопічного механічного руху переходить в енергію мікроскопічного руху атомів та молекул. Людство навчилося використовувати цей ефект для добування вогню.

При терті поверхні багатьох тіл заряджаються, що свідчить про електростатичну природу тертя. Цей процес використовується для створення статичних зарядів. Одним із найпоширеніших прикладів такої електризації тертям у сучасному світі є електризація барабана у фотокопіювальній машині. За допомогою електризації тертям можна створювати дуже великі напруги, як, наприклад, у електростатичному генераторі Ван де Граафа.

Розрізняють тертя без мастильного матеріалу (сухе тертя) і тертя з мастильним матеріалом, що підводиться у зону тертя. Для зменшення тертя використовуються різноманітні мастила та способи його подавання в зону тертя.

Опір

Електри́чний о́пір — властивість провідника створювати перешкоди проходженню електричного струму. Позначається здебільшого латинською літерою R, одиниця опору в СІ - Ом. Електричний опір використовується у випадках лінійної залежності електричного струму в провіднику від прикладеної напруги, й є коефіцієнтом пропорційності між падінням напруги U й силою струму I

.

а величиною опору тіла можна поділити на:

• провідники,

• напівпровідники,

• діелектрики.

Окремим класом стоять надпровідники, які не створюють опору струму.

Причини виникнення опору

Електрони провідника невпинно й хаотично рухаються, але у випадку, коли до провідника не прикладена напруга, хаотичний рух електронів в середньому не призводить до переносу заряду — електричний струм дорівнює нулю ^[1] Електричний струм виникає тоді, коли існує переважний рух електронів у одному напрямку. Така ситуація можлива при наявності електрорушійної сили, енергія якої витрачається на переорієнтацію теплового руху електронів.

Під час свого руху електричні заряди взаємодіють з кристалічною ґраткою: зіштовхуються з атомами ґратки (розсіються). При цьому електрони віддають енергію, отриману від електричного поля джерела е.р.с., ґратці. Атоми, що перебувають в коливальному русі навколо положення рівноваги, збільшують амплітуду коливання. Тобто, енергія електричного поля перетворюється в енергію коливання атомів — в тепло.

В джерелі е.р.с. внаслідок кулонівського відштовхування електрони намагаються зайняти рівноважне положення, що відповідає їх найбільшій віддаленності один від одного. Щоб викликати струм, треба порушити цю рівновагу і спрямувати електрони у певному напрямку проти сил поля (в джерелах струму цю роботу виконують сторонні сили, наприклад, хімічні). Розглянуті процеси викликають появу внутрішнього опору джерела е.р.с..

Для провідника довжиною l і поперечним перерізом S опір визначається за формулою

.

Консервативні і дисипативні системи. Консервативні і дисипативні системи

Механічні системи, на тіла яких діють тільки консервативні сили, називаються консервативними системами. В них можуть відбуватися тільки перетворення кінетичної енергії в потенціальну і навпаки в еквівалентних кількостях, так що повна механічна енергія залишається сталою.

Дисипативні системи – це системи, в яких механічна енергія поступово зменшується за рахунок перетворення в інші (немеханічні) форми енергії. У системі, в якій діють такі неконсервативні сили, наприклад сили тертя, повна механічна енергія системи не зберігається, але при цьому завжди виникає еквівалентна кількість енергії іншого виду.

Таким чином, енергія ніколи не зникає і не з'являється знову, вона тільки переходить з одного виду в інший.

Закон збереження енергії (англ. energy conservation law;) - закон, який стверджує, що повна енергія в ізольованих системах не змінюється з часом. Проте енергія може перетворюватися з одного виду в інший. У термодинаміці закон збереження енергії відомий також під назвою першого закону термодинаміки. Закон збереження енергії є, мабуть, найважливішим із законів збереження, які застосовуються в фізиці.

Для деяких механічних систем на закон збереження вказував ще Лейбніц у 1686 році, для немеханічних процесів закон був встановлений Юліусом Робертом фон Майєром у 1845 році^[1], Джеймсом Прескоттом Джоулем у 1843-1850 роках^[2] та Германом фон Гельмгольцем у 1847 році^[3].

У механіці закон збереження енергії стверджує, що в замкненій системі частинок, повна енергія, що є сумою кінетичної і потенціальної енергії не залежить від часу, тобто є інтегралом руху. Закон збереження енергії справедливий тільки для замкнених систем, тобто за умови відсутності зовнішніх полів чи взаємодій.

Сили взаємодії між тілами, для яких виконується закон збереження механічної енергії називаються консервативними силами. Закон збереження механічної енергії не виконується для сил тертя, оскільки за наявності сил тертя відбувається перетворення механічної енергії в теплову.

Закон збереження енергії в механіці виконується тільки для систем, у яких всі сили потенціальні^[4].

Ще на ранніх етапах розвитку фізики рівняння механіки використовувалися до небесних тіл, для яких непотенціальні сили, наприклад, сила тертя, дуже малі і ними можна знехтувати. Непотенціальних сил не існує також у мікросвіті атомів і молекул. В цих системах закон збереження механічної енергії відіграє ключову роль. А от на побутовому рівні, у світі земних природних явищ і машин, механічна енергія не зберігається. Тому повне формулювання закону збереження енергії вимагає вивчення теплових явищ.

Закон збереження енергії пов'язаний із однорідністю часу, а саме із принципом, згідно з яким жодна мить жодним чином не відрізняється від іншої, тож одинакові фізичні системи за одинакових умов завжди еволюціонуватимуть однаково. Щодо цього закон збереження енергії є частковим випадком загальної теореми Нетер.

Закон збереження енергії в термодинаміці

У термодинаміці закон збереження енергії встановлює співвідношення між внутрішньою енергією тіла, кількістю теплоти, переданою тілу і виконаною роботою.

Термодинаміка вивчає здебільшого нерухомі тіла, кінетична і потенціальна енергія яких залишається незмінною. Однак, ці тіла можуть виконувати роботу над іншими тілами, якщо, наприклад, змінювати їхню температуру. Отже, оскільки нагріте тіло може виконувати роботу, воно має певну енергію. Ця енергія отримала назву внутрішньої енергії. З точки зору фізики мікросвіту - фізики атомів і молекул, внутрішня енергія тіла є сумою кінетичних і потенціальних енергії частинок, з яких це тіло складається. Однак, з огляду на велику кількість та малі розміри частинок і загалом невідомі закони їхньої взаємодії, внутрішню енергію тіла визначити важко, виходячи з його будови. Проте очевидно, що вона залежить від температури тіла.

Визначальним моментом для встановлення закону збереження енергії стало встановлення еквівалентності між теплом, кількісною характеристикою якого є кількість теплоти, і механічною роботою. Якщо тілу надати певну кількість теплоти Q, то частина її піде на виконання механічної роботи A, а частина на збільшення внутрішньої енергії тіла:

,Ця формула складає основу першого закону термодинаміки.

19. Закон збереження імпульсу - один із фундаментальних законів фізики, який стверджує, що у замкненій системі сумарний імпульс усіх тіл зберігається. Він звучить так: У замкненій системі, геометрична сума тіл залишається сталою при будь-яких взаємодіях тіл цієї системи між собою.

Якщо на систему тіл зовнішні сили не діють або вони врівноважені, то така система називається замкненою, для неї виконується закон збереження імпульсу: повний імпульс замкненої системи тіл залишається незмінним за будь-яких взаємодій тіл цієї системи між собою:Закон збереження імпульсу є наслідком однорідності простору.

Для любой замкнутой системы, то есть, системы, не испытывающей сумарный импульс системы, сохраняется, остаётся постоянным во времени.

20. Відкриття закону збереження енергії вплинуло не тільки на розвиток фізичних наук, а й на філософію XIX століття. З ім'ям Роберта Майера пов'язане виникнення так званого природно-наукового енергетізма - світогляду, що зводить все існуюче і відбувається до енергії, її руху і взаємоперетворення. Зокрема, матерія і дух у цьому поданні є формами прояву енергії. Головним представником цього напряму енергетізма є німецький хімік Вільгельм Оствальд, вищим імперативом філософії якого стало гасло "Не витрачав даремно ніяку енергію, використовуй її!"

Перетворення Лоренца це лінійні перетворення координат, що залишають незмінним просторово-часовий інтервал. Перетворення Лоренца зв’язують координати подій в різних інерціальних системах відліку та мають фундаментальне значення в фізиці. Інваріантність фізичної теорії відносно перетворень Лоренца, або загальна коваріантність, є необхідною умовою достовірності цієї теорії.