3. Сили в механіці

Сила характеризує взаємодію тіл. Дія сили може призвести до зміни особливостей руху тіла або до деформації тіл. У природі всі сили можна поділити на дві категорії:

1. Сили, зумовлені взаємодією тіл під час їх безпосереднього дотику (удар, тиск, тяга, тертя і т. ін.).

2. Сили, зумовлені взаємодією тіл через силове поле.

Під силовим полем розуміємо певний напружений стан простору, який виникає навколо джерела поля і проявляється у тому, що на внесені в це поле тіла діють певні сили.

На даний час фізика визнає існування чотирьох основних типів фундаментальних взаємодій, проявом яких і є всі відомі силові взаємодії, що описують фізичні явища. Фундаментальними є гравітаційні, електромагнітні, сильні і слабкі взаємодії. Гравітаційні та електромагнітні взаємодії пояснюють всі відомі явища в макросвіті.

Зокрема, дією гравітаційних сил пояснюють стабільність астрономічних об’єктів (зірок, планет, комет й ін), утримання макроскопічних тіл на поверхні планет. Гравітаційні поля впливають на закономірності взаємних переміщень астрономічних об’єктів (рух планет у полях зірок, рух супутників і т. ін.).

Електромагнітні взаємодії відповідальні за існування і стійкість атомів та молекул, за перебіг хімічних реакцій, за зміну агрегатного стану речовини, за виникнення пружних сил і сил тертя.

Сильні (ядерні) та слабкі взаємодії проявляються на дуже малих відстанях між об’єктами (r < 10^-15 м) і відіграють головну роль в поясненні явищ мікросвіту. Зокрема, дією ядерних сил обумовлені існування атомних ядер та їх стійкість. Сили слабкої взаємодії проявляються у разі ­– розпаду атомних ядер та під час взаємодії нейтрино з речовиною.

У класичній механіці під час розгляду руху та взаємодії макроскопічних тіл звичайно розглядають з дію гравітаційних сил та сил тертя і пружності, які за своєю природою є електромагнітними.

3.1. Гравітаційні сили

Закон всесвітнього тяжіння був установлений Ісааком Ньютоном на основі емпіричних законів Кеплера, що описують рух планет навколо Сонця. Згідно з цим законом між усякими двома матеріальними точками діють сили взаємного притягання, величина яких прямо пропорційна добутку мас точок і та обернено пропорційна квадрату відстані r між ними:

, де (3.1)

Коефіцієнт пропорційності – гравітаційна стала, фізичний сенс якої наступний: вона чисельно дорівнює силі взаємного притягання двох точок одиничної маси, що перебувають на відстані, яка дорівнює одиниці довжини.

Для макроскопічних тіл сила взаємного притягання визначається як сума сил попарних взаємодій складових частинок обох тіл. У випадку взаємодії тіл кулеподібної форми вираз для сумарної сили притягання аналогічний до (3.1), причому маси і – маси тіл, а – відстань між їх центрами. Аналогічний результат отримується, коли тіло більшої маси має кулясту форму, а інше тіло має набагато меншу масу і розміри. Зокрема така ситуація реалізується для тіл, що перебувають на поверхні Землі:

(3.2)

Вираз (3.2) справедливий і для тіл, що містяться над поверхнею Землі на висоті , бо зміна прискорення земного тяжіння незначна при умові, що :

(3.3)

Простий розрахунок показує, що при 1 км g змінюється лише на 0,03%.

Оскільки реальна форма Землі відмінна від сферичної, а також внаслідок добового обертання величина залежить від географічної широти точки обертання, змінюючись від 9,83 м/с² на полюсах до 9,78 м/с² на екваторі.

Гравітаційна взаємодія між тілами на відстані здійснюється за допомогою поля тяжіння (гравітаційного поля). Кожне тіло є джерелом гравітаційного поля, тобто такого збурення властивостей навколишнього середовища, яке проявляється в тому, що на внесене у будь-яку точку поля інше тіло діє сила тяжіння, характерна для даної точки поля. У полі сил тяжіння має місце принцип суперпозиції: за наявності декількох джерел полів сумарна гравітаційна сила, що діє на деяке тіло дорівнює векторній сумі сил, які діють на нього з боку кожного з джерел поля.