Сили. Фундаментальні взаємодії в фізиці. Поняття про силові поля.

В механіці розрізняють три основні типи сил:

1. Гравітаційна сила

2. Сили пружності

3. Сили тертя

Всю сукупність можливих в природі сил можна розбити на 4 основні класи, які називають фундаментальними взаємодіями.

1. Сильні взаємодії (ядерні) Якщо прийняти, що ядер. сили 1 Н

2. Електромагнітні взаємодії то 10^-2 Н 

3. Слабкі взаємодії 10^-10 Н

4. Гравітаційні взаємодії 10^-38 Н

Ядерні взаємодії є близькодіючі сили (діють на відстані ~ 10^-15м), тому вони відповідають за існування ядер та протікання ядерних реакцій.

Елетро-магнітні взаємодії відповідають за існування атомів та молекул, на їх основі пояснюються хімічні реакції, радіус дії r, 0 < r < ∞.

Слабкі взаємодії, типу ядерних, які виникають при взаємних перетвореннях елементарних частинок ( радіуси дії r ~ 10^-15 м).

Гравітаційні взаємодії - найслабші (0 < r < ∞), однак сили, які ці взаємодії спричиняють є дуже великі за рахунок дії дуже великих мас.

За яким законом відбувається та чи інша взаємодія? Для прикладу взаємодія двох точкових електричних зарядів описується законом Кулона (сила взаємодії між зарядами прямопропорційна добутку цих зарядів і оберненопропорційна квадрату відстані між ними):.

Була спроба пояснити, що заряди взаємодіють на відстані

( принцип далекодії ). Подібно намагалися пояснити гавітацію і т.д. Однак вияснили, що середовище якимось чином впливає на взаємодію. Елементарна суть такого принципу така: всяке джерело силової взаємодії створює довкола себе певний напружений стан середовища, яке ми називаємо силовим полем, відповідно об’єкти взаємодіють між собою через свої силові поля.

Макроскопічні силові поля ми будемо характеризувати по наступних ознаках: яким чином проявляється сила, яким чином в цьому полі виконується робота і т.і.

Відповідно до цих ознак силові поля поділяють на 3 основні типи:

1. Потенціальні (консервативні) силові поля :електростатичне, гравітаційне. Характерною рисою є те, що робота в них не залежить від вигляду траєкторії, а залежить лише від початкового і кінцевого положення.

А_1,2-А_2,1

Fig 1

В цих полях робота по замкнутому контуру має бути рівна 0,

тобто

( якщо перейти до поверхневого інтеграла )

- оператор Набла - оператор Лапласа.

1. вихрові поля: В них робота залежить від шляху, тобто .

Вихрове електричне поле, поле сторонніх сил має аналогічні властивості.

2. дисипативні силові поля - поля в яких йде розсіювання енергії, в математичному сенсі подібні до вихрового поля. Робота теж залежить від шляху. Прикладом такого типу полів є поля сил тертя.

Під макроскопічним силовим полем розглядаємо певну ділянку простору, в кожній точці якого на внесене тіло діє якась сила.

Консервативні силові поля.

Гравітаційне та електростатичне поле належать до консервативних силових полів, оскільки в них робота по замкненій ділянці траєкторії рівна нулеві.

1. - сила притягання двох мас по 1 кг на відстані 1м.

2. - закон Кулона.

В векторній формі:

1 ;

2

В системі CI , де - електрична стала ().

Поле створене точковими масами (чи зарядами) називається центрально-симетричним (F~)

Покажемо, що воно є потенціальним.

Fig2

Переносимо заряд з точки 1 в точку 2. ( Припустимо, що заряди відштовхуються )

;

;

( наскільки заряд наблизиться чи відштовхнеться від за час траєкторії ).

;

- робота по переміщенню заряда з точки 1 в точку 2.

Робота залежить лише від положення початкової і кінцевої точки і не залежить від вигляду траєкторії, тобто центрально-симетричне поле є потенціальним.