1.2.5. Классификация сил. Гравитационные силы.

Упругие силы и силы трения

В современной физике рассматриваются четыре вида фундаментальных взаимодействий.

1) Гравитационное, обусловленное всемирным тяготением.

2) Электромагнитное, обусловленное взаимодействием электрических и магнитных полей.

3) Сильное или ядерное, обеспечивающее взаимосвязь нуклонов в ядре.

4) Слабое, ответственное за взаимодействие элементарных частиц.

Силы трения и упругости по своей природе являются электромагнитными, поскольку их физическая природа связана с молекулярным взаимодействием.

Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения

Всякое тело изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем гравитационное поле. Это поле проявляет себя в том, что помещенное в него другое тело оказывается под действием силы, действующей на него со стороны другого тела. Таким образом, все тела в природе взаимодействуют между собой.

Закон взаимодействия тел в природе установлен Ньютоном для тел, принимаемых за материальные точки. Согласно этому закону, сила, с которой две материальные точки притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна произведению масс этих точек и и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

, (11)

где - коэффициент пропорциональности, называемый гравитационной постоянной.

На любое тело вблизи поверхности Земли действует сила тяготения , под влиянием которой, согласно 2-му закону Ньютона, тело начинает двигаться с ускорением, получившим название ускорения свободного падения 9,8 м/с². Действительно, , ,тогда

, (12)

9,8 М/с2.

На тело, находящееся на поверхности Земли, действуют сила сила тяготения и сила реакции земной поверхности ; направление силы определяется не только силой тяготения, но и вращением Земли (рис. 9). Равнодействующая этих двух сил - центростремительная сила - обеспечивает движение тела по окружности при суточном вращении Земли (вокруг оси ОО). Центростремительная сила равна , где – масса тела, - угловая скорость вращения Земли, - радиус Земли, - широта местности.

Сила тяжести , действующая на тело вследствие его притяжения к Земле, равна по модулю силе реакции опоры и равна : .

Сила тяготения и сила тяжести по направлению совпадают только на полюсах и на экваторе, в других же точках на поверхности Земли между ними есть угол, зависящий от широты местности (рис.9). Это связано с тем, что все тела на Земле вместе с ней совершают вращательное движение по окружности, но каждое тело имеет свой радиус вращения .

Рис. 9. Сила тяготения и сила тяжести

Так как угловая скорость вращения Земли очень мала, силойможно пренебречь и.

Упругие силы

Упругие силы возникают в теле, испытывающем воздействие других тел или полей, и связаны с деформацией тела. Если после прекращения действия сил тело принимает первоначальные размеры и форму, деформация называется упругой. Упругие деформации наблюдаются в том случае, когда сила, вызывающая деформацию, не превосходит некоторого, определенного для каждого конкретного тела, значения (предела упругости).

По экспериментальному закону Гука, силы, возникающие при упругой деформации, прямо пропорциональны величине этой деформации и направлены в сторону, противоположную деформации:

, (13)

где – коэффициент жесткости (для пружины просто жесткость), измеряется в ньютонах на метр (Н/м), – деформация, – сила упругости (рис.10).

Рис. 10. Силы упругости

При растяжении или одностороннем сжатии однородные стержни ведут себя подобно пружине. Сила упругости распределена по всему деформированному телу.