Лекція 2 Основні поняття динамики

2.1. Взаємодія між тілами. Фундаментальні взаємодії. Поняття сили та маси. Сили у природі.

Динаміка - це розділ механіки, який вивчає рух тіл під дією прикладених до них сил (тобто вивчає причини руху тіл). Динаміка базується на трьох законах Ньютона.

Основні поняття динаміки

• Інерція – це явище збереження тілом своєї швидкості.

Наприклад: космічний корабель рухається в космічному просторі по інерції.

• Інертність – це властивість тіл, яка полягає в тому, що для зміни швидкості тіла потрібен час. І чим більше часу потрібно, тим інертніше тіло.

Наприклад: автомобіль, що рухається, не можна відразу зупинити.

Взаємодія між тілами. Фундаментальні взаємодії.

Взаємодія і рух найважливіші властивості матерії, без яких неможливе її існування.

У широкому сенсі, рух - це будь-яка зміна, що відбувається в природі. У всіх формах руху є одна спільна риса - вони зводяться до взаємодії тіл.

Взаємодія - це процес протікання у просторі й часі впливу одних об'єктів на інші шляхом обміну матерією і рухом.

Взаємодія завжди виступає як рух матерії, а будь-який рух включає в себе різні види взаємодії.

З точки зору сучасної науки фізична взаємодія завжди підкоряється принципу близькодії.

Принцип близькодії (автор М. Фарадей): кожна фізична взаємодія переноситься відповідним полем від точки до точки зі швидкістю, що не перевищує швидкість світла у вакуумі.

Усі існуючі види взаємодій зводяться до чотирьох фундаментальних. Це сили гравітаційної, слабкої, електромагнітної і сильної взаємодії.

Носієм взаємодії та її кількісною мірою служить заряд. Кожна частка володіє одним або декількома зарядами, причому між собою взаємодіють тільки однотипні заряди, а заряди різних типів один одного «не помічають».

Сила взаємодії у всіх випадках пропорційна добутку зарядів двох взаємодіючих частинок і залежить від відстані між частинками.

Модель процесу фізичного взаємодії

Будь-яка взаємодія передається через вакуум за допомогою фізичного агента (частки), тому швидкість передачі впливу обмежена швидкістю світла.

Таким чином, уся матерія може бути розділена на поле й речовину, які відповідно представлені частками - бозонами (кванти полів) і частками - ферміонами (частки речовини).

Заряд - ферміон створює навколо частинки поле, що породжує властиві йому частки-бозони. Заряд частинки збурює вакуум, і це збурення з загасанням передається на певну відстань.

Частинки - бозони віртуальні - існують дуже короткий час і експериментально не виявляються. Опинившись у радіусі дії однотипних зарядів, частки ферміони починають обмінюватися бозонами. Обмін бозонами створює ефект притягання або відштовхування частинок - ферміонів.

Гравітаційна взаємодія

Усі тіла й частинки мають масу, беруть участь у гравітаційній взаємодії. Чим більше маса взаємодіючих тіл, тим сильніші гравітаційні сили. Гравітація завжди проявляється тільки як тяжіння.

Гравітаційна взаємодія - найбільш слабка з усіх взаємодій, воно в 10⁴⁰ разів слабкіше електричної взаємодії.

Гравітація визначає будову всього Всесвіту.

Сучасне уявлення про гравітаційній взаємодії

Гравітаційний заряд дорівнює інертній масі речовини. Він створює навколо себе гравітаційне поле з бозон-часткою - Гравітоном. Сили тяжіння є результатом постійного обміну мас гравітонами.

Експериментально гравітон не виявлений.

Слабка взаємодія

Діє тільки в мікросвіті. Вона відповідально за перетворення елементарних частинок. Завдяки слабкій взаємодії відбуваються термоядерні реакції в Сонці й більшості зірок.

Воно слабкіше електромагнітного, але значно сильніше гравітаційного.

У слабкій взаємодії беруть участь усі ферміони, які обмінюються переносниками слабкої взаємодії - векторними бозонами.

Бозони, у порівнянні з переносниками інших фундаментальних сил мають величезні маси, що призводить до дуже малому радіусу їх дії (10^-18 м).

В становлено (Ш. Глешоу, С. Вайнберг, А. Салам), що слабка й електромагнітна взаємодії є різними проявами єдиної електрослабкої взаємодії.

Електромагнітна взаємодія

Завдяки електромагнітним зв'язках існують атоми, молекули і макроскопічні тіла. До електромагнітної взаємодії зводяться більшість сил у природі, ними визначаються більшість явищ.

Електромагнітні взаємодії відчутні на великих відстанях від джерела. Вони існують тільки між зарядженими частинками. Однойменні частинки відштовхуються, різнойменні притягуються.

Електричний заряд створює поле, бозонами цього поля є фотони. У разі різнойменних зарядів обмін фотонами створює ефект притягання, а в разі однойменних – відштовхування (Рисунок 2.1).

Сильна взаємодія

Це короткодіюча взаємодія, що зв'язує кварки в середині адронів. Сила цієї взаємодії набагато перевершує силу трьох інших фундаментальних взаємодій.

До відкриття кварків і колірної взаємодії (колір - це певний заряд частинок) фундаментальним вважалася ядерна взаємодія, що об'єднує протони й нейтрони в ядрах атомів.

Однак з відкриттям кварків під сильною взаємодією стали розуміти колірні взаємодії між кварками, що об'єднуються в адрони. Теорія припускає, що при зближенні протонів і нейтронів на відстань меншу, ніж 10^-15 м, кварки всіх ферміонів зв'язуються глюонами в єдину систему - атомне ядро.

Теорії Великого об'єднання і Супероб'єднання

Теорії Великого об'єднання - назва спроб побудови єдиної теорії для слабкогї, електромагнітногї та сильної взаємодії. Теоретичні побудови, які включають ще й гравітаційну взаємодію - називають Супероб'єднанням.

Спроби побудови єдиної теорії аргументовані тим, що природа за своєю суттю єдина. І, напевно, існують умови, за яких розрізнити взаємодії стає неможливо - тобто всі вони є окремими випадками однієї, поки ще невідомої взаємодії.

Загальною проблемою цих теорій є неможливість у сучасних умовах проведення підтверджуючих фізичних експериментів.

Сила (ф.в.)

1. Сила – це характеристика взаємодії тіл. Сила є причиною зміни швидкості тіла.

2. Визначення. Сила – це фізична величина, яка характеризує дію одного тіла на інше і є мірою цієї дії.

3. Сила – це векторна величина. Тобто вона має напрямок і точку прикладання.

4. [F] = кг·м/c² = Н ( Ньютон )

5 . 1 Ньютон – це сила, яку потрібно прикласти до тіла масою 1 кг, щоб воно рухалося з прискоренням 1 м/с².

6. Прилад для вимірювання сили – динамометр.

Маса тіла m (ф. в.)

1. Маса тіла – це характеристика інертних властивостей тіл.

2. Визначення. Маса тіла – це фізична величина, що являється мірою інертності тіла.

3. Маса тіла – це скалярна величина.

4. m=V, де ρ – густина речовини, V - об’єм тіла.

5. [m] = кг

6. Існує еталон одного кілограма; на початку за 1 кілограм прийняли 1 літр води при температурі 15°С. Потім, на Міжнародному конгресі в 1889 р., за еталон маси було прийнято масу спеціально виготовленого зі сплаву платини й іридію циліндра (Рисунок 2.2), діаметр і висота якого однакові й дорівнюють 39 мм. Маса цього циліндра і є Міжнародною одиницею маси - кілограмом (скорочено: кг). Еталон маси зберігається в Міжнародному бюро мір і ваги (у Франції); копії еталона зберігаються в багатьох країнах світу.

Вимірюють масу в умовах Землі за допомогою терезів. В умовах невагомості по взаємодії тіл.