7.3. Фундаментальные силы

Первой из известных ныне фундаментальных сил была изучена гравитационная сила, или сила тяготения. На Земле она проявляется в том, что находящиеся на ее поверхности объекты с нее не сваливаются. Эта же сила ответственна за падение объектов на Землю. Она же удерживает космический корабль или Луну на орбитах, по которым они движутся вокруг Земли.

Закон фундаментальной силы тяготения, справедливый на Земле и в космическом пространстве, имеет вид

F = m G(r)

где m – масса объекта, моделируемого «несвободной» частицей, G(r) – гравитационное поле, т.е. векторная величина, характеризующая гравитационное притяжение частицы со стороны других объектов.

С разнообразными наглядными проявлениями электромагнитной силы в природе человек встречается повседневно. Это и электризация тел при трении, и молния, и свет, и постоянные магниты, и земной магнетизм, проявляющийся в поведении стрелки компаса. Изучение электромагнитной силы привело к выводу, что ее интенсивность определяется особой физической характеристикой, названной электрическим зарядом. Полное выражение для электромагнитной силы, действующей на заряженную частицу и называемой силой Лоренца, включает два качественно различных члена – электрическую и магнитную силу:

Выражение для электрической силы имеет вид , где q – электрический заряд частицы, а Е – электрическое поле. Для одной заряженной частицы с зарядом Q электрическое поле зависит от расстояния до точки наблюдения по закону , т.е. по форме напоминает поле тяготения для массивного тела.

К важнейшим из нефундаментальных сил относятся силы упругости, возникающие в молекулах или твердых телах при небольшом отклонении атома или части кристалла от положения равновесия. С действием упругой силы F_упр можно познакомиться, представив себе шарик на пружине. Тогда

(7.5),

где k – коэффициент упругости, а х – величина смещения шарика от точки равновесия.

Другой нефундаментальной силой, имеющей большое практическое применение, является сила сопротивления среды (жидкости или газа) движению частицы – F_сопр. Она зависит от скорости  и имеет вид , где  – коэффициент трения.

Наконец, следует отметить, что на одну и ту же частицу могут одновременно действовать несколько разных сил, создаваемых разными объектами. Они подчиняются принципу независимости действия сил, согласно которому полная сила равна сумме всех действующих сил:

F = F_i

7.4. Механическая энергия и динамика частицы

Достоинство потенциальной энергии состоит в том, что совместно с кинетической энергией она образует новую физическую величину – механическую энергию е_мех, которая, несмотря на внешнее воздействие, обладает свойством сохранения.

Итак, е_мех, равная сумме кинетической и потенциальной энергий для одной несвободной частицы, находящейся под влиянием потенциальных сил, остается неизменной величиной

(7.7).

При этом каждая из составляющих ее энергий по отдельности данным свойством в этих условиях не обладает. Здесь уместна следующая аналогия. День и ночь совместно образуют сутки, составляющие 24 часа, однако продолжительность дня и ночи, как известно, изменяется в зависимости от времени года. Факт сохранения помех (в тех обстоятельствах, когда ее можно ввести) облегчает решение целого ряда задач. Вместе с тем, отметим, что механическая энергия не относится к числу фундаментальных характеристик движения.

Механическая энергия не относится к числу фундаментальных характеристик движения.