Равновесие твердого тела под действием трех сил

Если тело может вращаться относительно некоторой оси, то для его равновесия недостаточно равенства нулю равнодействующей всех сил. Вращающее действие силы зависит не только от ее величины, но и от расстояния между линией действия силы и осью вращения. Длина перпендикуляра, проведенного от оси вращения до линии действия силы, называется плечом силы.

Моментом силы M называется произведение модуля силы <!--[if !vml]--><!--[endif]--> на плечо d. Момент силы считают положительным, если он вращает тело против часовой стрелки. Момент силы считают отрицательным, если он вращает тело по часовой стрелке. В Международной системе единиц (СИ) моменты сил измеряются в ньютон-метрах (Н∙м).

Правило моментов: тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к телу сил относительно этой оси равна нулю:

 

Силы, действующие на рычаг, и их моменты.

M₁=F₁·d₁>0; M₂=–F₂·d₂<0 При равновесии M₁+M₂=0

В общем случае, когда тело может двигаться поступательно и вращаться, для равновесия необходимо выполнение обоих условий. Это равенство нулю векторной суммы всех сил действующих на тело  и равенство нулю алгебраической суммы  моментов всех сил. Но оба эти условия не являются достаточными для покоя.

Виды равновесия:

В механике различают три состояния равновесия: безразличного равновесия, устойчивого и неустойчивого равновесия.

Безразличное равновесие – при малом отклонении тело остается в равновесии. Пример - Катящееся по горизонтальной поверхности колесо. Если колесо остановить в любой точке, оно окажется в равновесном состоянии. Шар, лежащий на плоской горизонтальной поверхности, находится в состоянии безразличного равновесия (рис. 3).

Неустойчивое равновесие – при малом отклонение тела из положения равновесия возникают силы, стремящиеся увеличить это отклонение. Шар, находящийся в верхней точке сферического выступа, – пример неустойчивого равновесия .

Устойчивое равновесие - если при малых отклонениях тела от этого состояния возникают силы или моменты сил, стремящиеся возвратить тело в равновесное состояние. Шар, находящийся  на дне сферического углубления находится в состоянии устойчивого равновесия .

9. Законы сохранения количества движения ( импульса), энергии и момента количества движения.

Закон сохранения импульса. Выясним, как изменяются импульсы двух тел при их взаимодействии.

Обозначим скорости тел массами m₁ и m₂ до взаимодействия через и , а после взаимодействия — через и .

По третьему закону Ньютона силы, действующие на тела при их взаимодействии, равны по модулю и противоположны по направлению; поэтому их можно обозначить и .

Для изменений импульсов тел при их взаимодействии на основании равенства (16.2) можно записать

,

,

где t — время взаимодействия тел. Из этих выражений получаем

. (16.3)

Таким образом, векторная сумма импульсов двух тел до взаимодействия равна векторной сумме их импульсов после взаимодействия.

Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел — от планет и звезд до атомов и элементарных частиц — показали, что в любой системе взаимодействующих между собой тел при отсутствии действия сил со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел остается неизменной.

Система тел, не взаимодействующих с другими телами, не входящими в эту систему, называется замкнутой системой.

В замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса.

Необходимым условием применимости закона сохранения импульса к системе взаимодействующих тел является использование инерциальной системы отсчета.

Закон сохранения энергии — основной закон природы, заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. Закон сохранения энергии встречается в различных разделах физики и проявляется в сохранении различных видов энергии. Например, в классической механике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики.

Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то правильнее называть его не законом, а принципом сохранения энергии.

Закон сохранения механической энергии — механическая энергия консервативной механической системы сохраняется во времени. Проще говоря, при отсутствии диссипативных сил (например, сил трения) механическая энергия не возникает из ничего и не может исчезнуть никуда.

Для замкнутой системы физических тел, например, справедливо равенство , где , — кинетическая и потенциальная энергии системы какого-либо взаимодействия, , — соответствующие энергии после.

Момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется с течением времени, то есть

; .

 

Если система не замкнута, но суммарный момент действующих внешних сил относительно неподвижной точки  О равен нулю (), то момент импульса относительно этой точки не изменяется со временем: . В случае, когда система вращается вокруг неподвижной оси Z, а главный момент внешних сил относительно этой оси , то момент импульса системы относительно оси вращения не изменяется с течением времени .

Осталось отметить связь законов сохранения со свойствами пространства - времени, то есть объяснить их фундаментальность. Закон сохранения импульса связан с однородностью пространства (свойства пространства одинаковы во всех его точках). Закон сохранения механической энергии связан с однородностью времени (однородность времени проявляется в том, что законы движения замкнутой системы не зависят от выбора начала отсчета времени). Закон сохранения момента импульса связан с изотропностью пространства (свойства пространства одинаковы по всем направлениям, то есть не зависят от выбора направления осей координат).

10. Фундаментальные взаимодействия в природе.

Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:

• гравитационного

• электромагнитного

• сильного

• слабого

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено.

В физике механическая энергия делится на два вида — потенциальную и кинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия) (см. второй закон Ньютона). Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия — электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой.

История

К началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.

В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире.

Создание единой теории фундаментальных взаимодействий

Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году. Затем в 1915 г. Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, описывающую гравитационное поле. Появилась идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий (которых на тот момент было известно только два), подобно тому как Максвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений. Такая единая теория объединила бы гравитацию и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоего единого взаимодействия.

В течение первой половины XX века ряд физиков предприняли многочисленные попытки создания такой теории, однако ни одной полностью удовлетворительной модели выдвинуто не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теория электромагнетизма различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как электромагнитное поле является материей.

Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также квантования теории.

В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия.

Экспериментальная проверка Стандартной Модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной Модели, за исключением хиггсовского бозона.

Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теории струн, петлевая квантовая гравитация, а также М-теория.