3.6. Силы и взаимодействия в природе

Консервативные силы:

1. Сила гравитационного взаимодействия (притяжения):

– закон обратных квадратов.

Сила асимметрична, природа этой силы не установлена.

2. Сила взаимодействия заряженных тел (сила Кулона):

Сила симметрична (сила притяжения и отталкивания). Сила Кулона является частным случаем электромагнитного взаимодействия. Сила Кулона имеет электромагнитную природу.

3. Сила упругости (определяется по закону Гука):

F = kx,

где k – коэффициент упругости материала; х – абсолютная величина деформации. Возникает при сжатии и растяжении, имеет электромагнитную природу.

При деформации атомы взаимодействуют через электронные оболочки (либо удаляются, либо приближаются), поэтому природа сил упругости – электромагнитная.

Эти силы имеют общее свойство: они являются консервативными, т.е. силами, которые не рассеивают механическую энергию.

4. Диссипативные силы – силы трения – рассеивают механическую энергию

Силы трения определяются аналогично силе упругости:

F_тр = N,

где   коэффициент трения; N – сила нормального давления. Природа силы трения – электромагнитная (взаимодействие так же как и в случае сил упругости, на уровне электронных оболочек).

Эти силы являются реально действующими, и их наличие не вызывает сомнения.

5. Силы инерции – называют иногда фиктивными, потому что нельзя указать тело, со стороны которого они действуют.

Силы инерции возникают при ускоренном движении системы отсчета (например, в троллейбусе). При поступательном движении сила инерции прямо пропорциональна ускорению:

F_и = –ma.

При вращательном движении системы отсчета действуют две силы: центробежная и сила Кориолиса.

Центробежная сила инерции зависит от массы тела, угловой скорости вращения и расстояния от центра вращения. Действует как на покоящееся, так и на движущееся относительно системы отсчета тело.

Сила Кориолиса действует во вращающей системе отсчета только на движущееся тело, так как она зависит от скорости движения тела относительно системы отсчета.

Благодаря силе Кориолиса подмываются правые берега рек Северного полушария и снашиваются правые рельсы (при движении на север).

Особенности сил инерции:

1. Нельзя указать тело, со стороны которого они действуют. Причина их возникновения – ускоренное движение системы отсчета.

2. Законы сохранения в неинерциальных системах отсчета не выполняются, так как силы инерции являются внешними по отношению к системе тел, следовательно система тел является открытой.

Если силы инерции учесть в уравнении II закона Ньютона  F = = ma, то они как бы становятся внутренними силами и законы сохранения можно применить.

Принцип суперпозиции – принцип наложения полей и сил. Например, каждая заряженная частица создает свое поле независимо от существования других заряженных частиц.

Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие – основная причина движения материи, оно присуще всем материальным объектам. К настоящему времени экспериментально подтверждено 4 типа фундаментальных взаимодействий (табл. 2., указаны по увеличению интенсивности):

1. гравитационное,

2. слабое,

3. электромагнитное,

4. сильное.

Гравитационное взаимодействие свойственно всем телам Вселенной. Эти силы обусловливают существование звезд, планетных систем и т.п. Гравитационное взаимодействие предельно слабое по интенсивности и в мире элементарных частиц при обычных энергиях непосредственной роли не играет. Здесь гравитация становится существенной лишь при энергиях  10²⁸ эВ (1 эВ =10^–19 Дж), которые соответствуют расстояниям R  10^–35 м. Хотя по современным представлениям к элементарным, т.е. неделимым, можно отнести кварки и электроны (из частиц в составе атома), по традиции к элементарным относят составные микрообъекты: молекулы, атомы, ядра, адроны. Данный термин повторил историю слова «атом», которое в переводе с греческого означает «неделимый».

Слабое взаимодействие присуще всем частицам, кроме фотонов. Наиболее известное его проявление – бета-превращения атомных ядер. Оно же обеспечивает нестабильность многих элементарных частиц, например нейтрона. Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Кроме бета-превращений атомных ядер, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах. Нейтрино – уникальные частицы, они могут участвовать только в слабом взаимодействии (если не считать гравитационное).

В электромагнитном взаимодействии, наиболее известном и наиболее изученном, непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Одно из его проявлений – кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества (как уже ранее указывалось, силы трения, упругости и силы Кулона имеют электромагнитную природу).

Сильное взаимодействие свойственно адронам (как уже указывалось, к адронам относятся протоны и нейтроны). Наиболее известное его проявление – ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер. Примеры процессов, вызываемых сильным взаимодействием, реакция рождения антипротона и антинейтрона.

Таблица 2