2.4. Сили
У фізиці розрізняють чотири фундаментальні взаємодії:
1) гравітаційна (обумовлена всесвітнім тяжінням);
2) електромагнітна (здійснюється за допомогою електромагнітного поля),
3) сильна (забезпечує зв'язок частин у атомному ядрі),
4) слабкі (відповідальне за процеси розпаду елементарних частинок).
Гравітаційні та електромагнітні сили є фундаментальними, оскільки їх не можна звести до інших, більш простих сил. Пружні сили та сили тертя не є фундаментальними. Закони фундаментальних сил дуже прості.
2.4.1. Гравітаційна сила. Закон всесвітнього тяжіння визначає силу F взаємного притягання між точковими масами m1 і m2 , які знаходяться на відстані r:
.
Гравітаційна стала G=6,67010-11H∙м2/кг2. Направлена сила вздовж прямої, яка з’єднує точкові тіла m1 і m2 .
2.4.2. Сила важкості
– це сила, з якою Земля притягає до себе будь-яке тіло маси m. Усі тіла (які мають більш обтічну форму, щоб повітря діяло на тіло з найменшою силою тертя) біля поверхні Землі падають з однаковим прискоренням g = 9,8 м/с2 – прискоренням вільного падіння.
Сила, з якою тіло діє на опору чи підвіс, називається вагою тіла. Отже фізичні величини вага й маса тіла – зовсім різні величини й мають різні одиниці вимірювання: ньютон (для ваги), кілограм (для маси).
Сила,
з якою діє опора чи підвіс на тіло,
називається силою
реакції опори
й позначаються
.
Сила реакції опори завжди направлена
по нормалі до поверхні, на якій знаходиться
тіло.
2.4.3. Сили тертя виникають при переміщені тіл (або їхніх частин), які дотикаються одне до одного.
Існує два види тертя: зовнішнє і внутрішнє. Зовнішнє тертя виникає між різними тілами, а внутрішнє – між частинами одного і того ж суцільного тіла (наприклад, рідини або газу), які дотикаються одне до одного і зміщуються одне відносно одного.
Тертя між поверхнями двох твердих тіл за відсутності будь-якого прошарку між ними (наприклад, мастила між ними) називається сухим. Вирізняють сухе тертя ковзання та кочення.
Модуль сили сухого тертя ковзання, яка діє на тіло, що знаходиться на плоскій гладкій поверхні, прямо пропорційний до величини сили реакції опори:
.
Коефіцієнт пропорційності k називається коефіцієнтом тертя, який приймає значення 0<k<1.
Сила тертя виникає не лише при ковзанні тіл одних відносно інших, а й при намаганнях викликати таке ковзання. У останньому випадку сила тертя називається силою тертя спокою.
За малих швидкостях сила в`язкого тертя прямо пропорційна швидкості тіла, яке рухається через в’язке середовище:
Fтер=k1v.
За великих швидкостях – пропорційна квадрату швидкості:
Fтер=k2v2.
Величина коефіцієнтів залежить від від форми та розмірів тіла.
2.4.4. Сила пружності. Під дією прикладених до тіла сил реальне тіло деформується, тобто змінює свою форму й об’єм. Якщо після припинення дії сили тіло приймає попередні розміри, деформація називається пружною. Пружні деформації спостерігаються у тому випадку, якщо обумовлююча деформація сила не перебільшує деякої, визначеної для кожного тіла межі (межі пружності).
Рис. 2.2
Розглянемо пружину, верхній кінець якої закріплений, а до нижнього приєднано вантаж (див. рис. 2.2). Якщо вантаж змістити на невелику відстань x, то у пружині виникне пружна сила
,
де k – коефіцієнт пружності пружини; знак мінус у правій частині формули вказує на те, що проекція пружної сили на вертикальну вісь і координата x мають різні знаки. Твердження про пропорційність між пружною силою та деформацією має назву закону Гука.
У системі СІ силу вимірюють у ньютонах (Н). Із рівняння другого закону Ньютона випливає, що 1 Н =кгм/с2.