Классификация сил. Фундаментальные воздействия. Законы эмпирических сил.

Современной физике известны четыре типа фундаментальных взаимодействий между частицами: 1) гравитационное, 2) электромагнитное, 3) ядерное сильное, 4) ядерное слабое. Они называются фундаментальными, потому что имеют различную физическую природу и не сводятся к другим типам взаимодействий.

В механике в чистом виде применяется гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие мы рассмотрим в курсе «электродинамики» в следующем семестре, а ядерные взаимодействия в курсе «атомная физика», «физика ядра» и спецкурсах по физике.

Силы взаимодействия являются функциями состояниями взаимодействующих частиц. Конкретная зависимость силы от параметров состояния находится в физике опытным путём. Рассмотрим некоторые из них.

Закон всемирного тяготения.

Все тела (частицы) в природе притягиваются друг к другу. Эта сила зависит от их масс, взаимного расстояния, геометрических размеров, распределением массы по объёму. Элементарный закон тяготения был открыт английским физиком И.Ньютоном и опубликован в 1697г. и называется законом всемирного тяготения. Формулируется он следующим образом:

Две материальные точки (частицы) притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и направлена по линии, соединяющей частицы.

.

,

и - массы частиц, - расстояние между частицами.

В законе всемирного тяготения масса выступает как мера тяготения. Коэффициент называется гравитационной постоянной.

Она количественно характеризует интенсивность гравитационного взаимодействия частиц: численно равна , при , . По современным экспериментальным данным . Значение показывает, что силы тяготения являются слабыми. Они существенны только для массивных тел или, если, хотя бы, когда масса одного из тел велика.

Сила притяжения между телами зависит от их размеров, конфигурации и распределения массы по объёму. Эту силу можно принципиально найти как сумму всех парных притяжений частиц тела. Часто в практических задачах встречается ситуация, когда тела имеют форму шаров со сферически симметричным распределением массы по объёму, т.е. - плотность является только функцией расстояния от центра шара. Расчёты показывают, что сила притяжения между такими шарами равна: , где и - массы шаров, - расстояние между центрами шаров. Очевидно, притяжение между шаром и частицей также определяется этим соотношением, где - расстояние от центра шара до частицы.

Например, притяжение тела к Земле определяется соотношением:

,

где - масса Земли, - масса тела, - радиус Земли, - расстояние от тела до поверхности Земли. Эта сила называется силой тяжести. Силой тяжести определяется движение тел в «поле» тяжести Земли. Понятия поля у Ньютона не было. Оно было введено впервые Фарадеем и Максвеллом для электрического и магнитного взаимодействия, а затем было распространено и на гравитационное взаимодействие. Об этом мы подробно поговорим в курсе «Электромагнетизм» в следующем семестре.

Силу тяжести можно выразить иначе:

,

где - ускорение свободного падения в поле тяжести Земли, - масса тела. Докажем это. Если , то Землю можно считать неподвижной, при этом центр инерции системы тело + Земля практически совпадает с центром Земли. Тогда силу тяжести, действующую на тело можно записать в следующей форме:

,

где ускорение свободного падения равно

.

Ускорение свободного падения направлено к центру Земли и его модуль равен

.

Эксперимент показывает, что все тела падают с одним ускорением. Откуда следует, что : масса тяжёлая (тяготения) равна массе инертной. Этот постулат лежит в основе общей теории относительности (ОТО), которую иначе называют теорией тяготения. Таким образом, ускорение свободного падения тел

уменьшается с увеличением высоты . Ускорение свободного падения у поверхности Земли обозначают - стандартное значение ускорения свободного падения. При решении задач можно ограничиться приближённым значением .

На расстоянии (расстояние от Земли до Луны) . Луна падает на Землю с таким ускорением.