Законы силы, формулы. Понятие силы

В физике очень часто используется понятие «сила»: сила тяготения, сила отталкивания, электромагнитная сила и т. д. Складывается обманчивое впечатление, что сила — это нечто, влияющее на объекты, и существующее само по себе.

Откуда же на самом деле берутся силы, и что это такое вообще?

Давайте рассмотрим это понятие на примере звука. Когда мы поём, мы можем варьировать силу издаваемого звука, т.е. громкость. Для этого мы увеличиваем скорость выдоха и сужаем пространство между голосовыми связками. Что при этом происходит? Увеличивается скорость изменения состояния голосовых связок. Голоса делят на низкие и высокие. А чем они отличаются друг от друга? Голос кажется низким, когда скорость изменения постепенно уменьшается, а высоким — когда наоборот увеличивается к концу выдоха.

По этому же принципу устроены все музыкальные инструменты. Все они позволяют варьировать соотношения инструмента таким образом, чтобы изменять скорость и направление его изменения, или же сочетать звуки с разными параметрами, как в струнных.

В любой природной системе происходят постоянные изменения состояния. Энергия, сила ассоциируются у нас с высокой скоростью изменения состояния, а покой, статичность — с низкой энергией, но высокой гравитацией.

Понятие силы необходимо нам в том случае, когда мы рассматриваем влияние одних объектов на другие. Но если мы рассматриваем систему в целом, то вместо силы мы говорим о скорости изменения состояния системы. Но что является причиной изменения скорости?

Любая система представляет собой колебательный процесс. Обычно, когда мы говорим о колебании, мы представляем себе изменение одной величины в пределах какого-то диапазона. Например, колебание гитарной струны — это её колебание вокруг центральной оси. Но это происходит лишь потому, что концы струны строго закреплены, что ограничивает её в пространстве.

Если же мы говорим о природной системе, то колебание в ней — это всегда изменение как минимум двух параметров. При этом физические параметры взаимосвязаны друг с другом таким образом, что увеличение одного ведет к уменьшению другого. Например, уменьшение давления ведет к увеличению объема, максимум электрического поля соответствует минимуму магнитного. Такая обратная циклическая связь способствует колебанию системы в рамках определенного значения, которое можно считать константой скорости.

Именно благодаря этой константе, мы всегда чувствуем то направление, которое есть в системе. Например, по короткому отрезку музыкального произведения мы чувствуем, каким будет её дальнейшее звучание. Мы можем уловить логику дальнейшего развития. С точки зрения математики это означает вычислить дифференциал — скорость и направление изменения системы в данный момент времени. Этим музыка и отличается от простого шума.

И тот факт, что это возможно, говорит о том, что мир в целом представляет собой единую систему, где все процессы связаны друг с другом. И все изменения скоростей в нем предсказуемы и логично взаимосвязаны.

> Сила

Описание силы в физике: термин и определение, законы силы, измерение единиц в Ньютонах, второй закон Ньютона и формула, схема воздействия силы объекта.

Сила – любое воздействие, приводящее к изменению объекта в движении, направлении или геометрической конструкции.

Задача обучения

Создать соотношение между массой и ускорением.

Основные пункты

Сила выступает векторным понятием, обладающим величиной и направлением. Это касается также массы и ускорения.
Если говорить проще, то сила выступает толчком или тягой, которую можно определить различными стандартами.
Динамика – изучение силы, заставляющей объекты или системы перемещаться и деформироваться.
Внешние силы – любые внешние воздействия, влияющие на тело, а внутренние – действуют изнутри.

Термины

Векторная скорость – скорость изменения положения по времени и направлении.
Сила – любое воздействие, приводящее к изменению объекта в движении, направлении или геометрической конструкции.
Вектор – направленное количество, характеризующееся величиной и направлением (между двумя точками).

Пример

Чтобы изучить стандарты силы в физике, причины и результаты, используйте две резиновых ленты. Повесьте одну на крючок в вертикальном положении. Найдите небольшой предмет и прикрепите к свисающему концу. Измерьте полученное растяжение с различными предметами. Какая связь между количеством подвешенных предметов и длиной растяжки? Что будет с приклеенным весом, если сдвинуть ленту карандашом?

Обзор сил

В физике в качестве силы выступает любое явление, заставляющее объект проходить через изменения в движении, направлении или геометрической конструкции. Измеряется в Ньютонах. Сила – то, из-за чего объект с массой меняет свою скорость или деформируется. Силу также описывают интуитивными понятиями, вроде «толчок» или «выталкивание». Обладает величиной и направлением (векторная).

Характеристики

Второй закон Ньютона говорит, что чистая сила, влияющая на объект, равна скорости, с которой меняется ее импульс. Также ускорение объекта прямо пропорционально влияющей на него силе и находится в направлении чистой силы и обратно пропорционально массе.

Не забывайте, что сила выступает векторной величиной. Вектор – одномерный массив с величиной и направлением. В нем присутствует масса и ускорение:

С силой также связаны тяга (увеличивает скорость объекта), торможение (уменьшает скорость) и вращательный момент (меняет скорость). Силы, которые не задействованы равномерно во всех частях объекта, также приводят к механическому напряжению (деформируют материю). Если в твердом объекте оно постепенно деформирует его, то в жидкости меняет давление и объем.

Динамика

Это изучение сил, приводящих объекты и системы в движение. Мы понимаем силу как определенный толчок или тягу. Они обладают величиной и направлением. На рисунке вы можете рассмотреть несколько примеров применения силы. Сверху слева – роликовая система. Сила, которую нужно применить к кабелю, должна равняться и превышать силу, создаваемую массой, объектами или эффектами силы тяжести. Сверху справа показано, что любой объект, расположенный на поверхности, будет влиять на нее. Внизу – притяжение магнитов.

1. Законы динамики Ньютона

законы или аксиомы движения (в формулировке самого Ньютона по книге «Математические начала натуральной философии» 1687 года): «I. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние. II. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. III. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противопо-ложные стороны».

2. Что такое сила?

Сила характеризуется величиной и направлением. Сила характеризует действие на данное тело других тел. Результат действия силы на тело зависит не только от ее величины и направления, но и от точки приложения силы. Равнодействующая – одна сила, результат действия которой будет таким же, каким бы был результат действия всех реальных сил. Если силы сонаправлены, равнодействующая равна их сумме и направлена в ту же сторону. Если же силы направлены в противоположные стороны, то равнодействующая равна их разности и направлена в сторону большей силы.

Сила тяжести и вес тела

Сила тяжести - это сила, с которой тело притягивается к Земле вследствие Всемирного тяготения. Все тела во Вселенной притягиваются друг к другу, причем, чем больше их массы и чем ближе они расположены, тем притяжение сильнее.

Чтобы вычислить силу тяжести, следует массу тела умножить на коэффициент, обозначаемый буквой g, приближенно равный 9,8Н/кг. Таким образом, сила тяжести рассчитывается по формуле

Вес тела - это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес из-за притяжения к Земле. Если тело не имеет ни опоры, ни подвеса, то тело не имеет и веса – оно находится в состоянии невесомости.

Сила упругости

Сила упругости - это сила, которая возникает внутри тела в результате деформации и препятствует изменению формы. В зависимости от того, как изменяется форма тела, выделяют несколько видов деформации, в частности, растяжение и сжатие, изгиб, сдвиг и срез, кручение.

Чем больше изменяют форму тела, тем больше возникающая в нем сила упругости.

Динамометр – прибор для измерения силы: измеряемую силу сравнивают с силой упругости, возникающей в пружине динамометра.

Сила трения

Сила трения покоя - это сила, которая мешает сдвинуть тело с места.

Причина возникновения трения в том, что любые поверхности имеют неровности, которые зацепляются друг за друга. Если же поверхности отшлифованы, то причиной трения являются силы молекулярного взаимодействия. Когда тело движется по горизонтальной поверхности, сила трения направлена против движения и прямо пропорциональна силе тяжести:

Сила трения скольжения - это сила сопротивления при скольжении одного тела по поверхности другого. Сила трения качения - это сила сопротивления при качении одного тела по поверхности другого; она значительно меньше силы трения скольжения.

Если трение полезно, его усиливают; если вредно - уменьшают.

3. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ , физические законы, согласно которым некоторое свойство замкнутой системы остается неизменным при каких-либо изменениях в системе. Самыми важными являются законы сохранения вещества и энергии. Закон сохранения вещества утверждает, что вещество не создается и не разрушается; при химических превращениях общая масса остается неизменной. Общее количество энергии в системе также остается неизменным; энергия только преобразуется из одной формы в другую. Оба эти закона верны лишь приблизительно. Масса и энергия могут превращаться одна в другую согласно уравнению Е = тс 2 . Неизменным остается лишь общее количество массы и эквивалентной ей энергии. Еще один закон сохранения касается электрического заряда: его также нельзя создать и нельзя уничтожить. В применении к ядерным процессам закон сохранения выражается в том, что общая величина заряда, спин и другие КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА взаимодействующих частиц должны остаться такими же у частиц, возникших в результате взаимодействия. При сильных взаимодействиях все квантовые числа сохраняются. При слабых взаимодействиях некоторые из требований этого закона нарушаются, особенно в отношении ЧЕТНОСТИ.

Закон сохранения энергии можно объяснить на примере падения шара весом 1 кг с вы соты 100 м. Начальная общая энергия шара - это ею потенциальная энергия. Когда он падаег, погенциальная энергия постепенно убывает а кинетическая нарастает, но общее копичество энергии остается неизменным Таким образом, имеет место сохранение энергии. А - кинетическая энергия возрастает от 0 до максимума: В -- потенциальная энергия уменьшается от максимума до нуля; С -- общее количество энергии, которое равно сумме кинетическом и потен Закон сохранения вещества, утверждает, что в ходе химических реакций вещество не создается и не исчезает. Это явление можно продемонстрировать при помощи класси ческого опыта, при котором производится взвешивание свечи, горящей под стеклянным колпаком (А). В конце опыта вес колпака и его содержимого остаегся таким же, каким был в начале, хотя свеча, вещество которой состоит в основном из углерода и водорода, «исчезла», поскольку из нее выделились летучие продукты реакции (вода и углекислый газ). Только после того, как в конце XVIII в ученые признали принцип сохранения вещества, стал возможен количественных подход к химии.

Механическая работа совершается тогда, когда тело движется под действием приложенной к нему силы.

Механическая работа прямо пропорционально пройденному пути и пропорциональна силе:

Мощность

Быстроту выполнения работы в технике характеризуют мощностью .

Мощность равна отношению работы к времени, за которое она была совершена:

Энергия это физическая величина, показывающая какую работу может совершить тело. Энергия измеряется в джоулях .

При совершении работы энергия тел измеряется. Совершенная работа равна изменению энергии.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением взаимодействующих тел ил частей одного и того же тела.

Е р = F h = gmh.

Где g = 9,8 Н /кг, m - масса тела (кг) , h – высота (м).

Кинетической энергией обладает тело в следствие своего движения. Чем больше масса тела и скорость, тем больше его кинетическая энергия.

5. основной закон динамики вращательного движения

Момент силы

1. Момент силы относительно оси вращения, (1.1) где– проекция силына плоскость, перпендикулярную оси вращения,– плечо силы(кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы).

2. Момент силы относительно неподвижной точки О (начала координат). (1.2) Определяется векторным произведением радиуса-вектора, проведенного из точки О в точку приложения силы, на эту силу;– псевдовектор, его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении отк(«правило буравчика»). Модуль момента силы, (1.3) где– угол между векторамии,– плечо силы, кратчайшее расстояние между линией действия силы и точкой приложения силы.

Момент импульса

1. Момент импульса тела, вращающего относительно оси , (1.4) где– момент инерции тела,– угловая скорость. Момент импульса системы изтел есть векторная сумма моментов импульсов всех тел системы:. (1.5)

2. Момент импульса материальной точки с импульсом относительно неподвижной точки О (начала координат). (1.6) Определяется векторным произведением радиуса-вектора, проведенного из точки О в материальную точку, на вектор импульса;– псевдовектор, его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении отк(«правило буравчика»). Модуль вектора момента импульса, (1.7) где– угол между векторамии,– плечо вектораотносительно точки О.

Момент инерции относительно оси вращения

1. Момент инерции материальной точки , (1.8) где– масса точки,– расстояние её от оси вращения.

2. Момент инерции дискретного твердого тела , (1.9) где– элемент массы твердого тела;– расстояние этого элемента от оси вращения;– число элементов тела.

3. Момент инерции в случае непрерывного распределения массы (сплошного твердого тела) . (1.10) Если тело однородно, т.е. его плотностьодинакова по всему объему, то используется выражение(1.11), гдеиобъем тела.

Слово «сила» настолько всеобъемлюще, что дать ему четкое понятие - задача практически невыполнимая. Разнообразие от силы мышц до силы разума не охватывает весь спектр вложенных в него понятий. Сила, рассмотренная как физическая величина, имеет четко определенное значение и определение. Формула силы задает математическую модель: зависимость силы от основных параметров.

История исследования сил включает определение зависимости от параметров и экспериментальное доказательство зависимости.

Сила в физике

Сила - мера взаимодействия тел. Взаимное действие тел друг на друга полностью описывает процессы, связанные с изменением скорости или деформацией тел.

Как физическая величина сила имеет единицу измерения (в системе СИ - Ньютон) и прибор для ее измерения - динамометр. Принцип действия силомера основан на сравнении силы, действующей на тело, с силой упругости пружины динамометра.

За силу в 1 ньютон принята сила, под действием которой тело массой 1 кг изменяет свою скорость на 1 м за 1 секунду.

Сила как определяется:

направлением действия;
точкой приложения;
модулем, абсолютной величиной.

Описывая взаимодействие, обязательно указывают эти параметры.

Виды природных взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильные, слабые. Гравитационные всемирного тяготения с ее разновидностью - силой тяжести) существуют благодаря влиянию гравитационных полей, окружающих любое тело, имеющее массу. Исследование полей гравитации не закончено до сих пор. Найти источник поля пока не представляется возможным.

Больший ряд сил возникает вследствие электромагнитного взаимодействия атомов, из которых состоит вещество.

Сила давления

При взаимодействии тела с Землей оно оказывает давление на поверхность. Сила которой имеет вид: P = mg, определяется массой тела (m). Ускорение свободного падения (g) имеет различные значения на разных широтах Земли.

Сила вертикального давления равна по модулю и противоположна по направлению силе упругости, возникающей в опоре. Формула силы при этом меняется в зависимости от движения тела.

Изменение веса тела

Действие тела на опору вследствие взаимодействия с Землей чаще именуют весом тела. Интересно, что величина веса тела зависит от ускорения движения в вертикальном направлении. В том случае, когда направление ускорения противоположно ускорению свободного падения, наблюдается увеличение веса. Если ускорение тела совпадает с направлением свободного падения, то вес тела уменьшается. К примеру, находясь в поднимающемся лифте, в начале подъема человек чувствует увеличение веса некоторое время. Утверждать, что его масса меняется, не приходится. При этом разделяем понятия «вес тела» и его «масса».

Сила упругости

При изменении формы тела (его деформации) появляется сила, которая стремится вернуть телу его первоначальную форму. Этой силе дали название "сила упругости". Возникает она вследствие электрического взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Рассмотрим простейшую деформацию: растяжение и сжатие. Растяжение сопровождается увеличением линейных размеров тел, сжатие - их уменьшением. Величину, характеризующую эти процессы, называют удлинением тела. Обозначим ее "x". Формула силы упругости напрямую связана с удлинением. Каждое тело, подвергающееся деформации, имеет собственные геометрические и физические параметры. Зависимость упругого сопротивления деформации от свойств тела и материала, из которого оно изготовлено, определяется коэффициентом упругости, назовем его жесткостью (k).

Математическая модель упругого взаимодействия описывается законом Гука.

Сила, возникающая при деформации тела, направлена против направления смещения отдельных частей тела, прямо пропорциональна его удлинению:

F y = -kx (в векторной записи).

Знак «-» говорит о противоположности направления деформации и силы.

В скалярной форме отрицательный знак отсутствует. Сила упругости, формула которой имеет следующий вид F y = kx, используется только при упругих деформациях.

Взаимодействие магнитного поля с током

Влияние магнитного поля на постоянный ток описывается При этом сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, помещенный в него, называется силой Ампера.

Взаимодействие магнитного поля с вызывает силовое проявление. Сила Ампера, формула которой имеет вид F = IBlsinα, зависит от (В), длины активной части проводника (l), (I) в проводнике и угла между направлением тока и магнитной индукцией.

Благодаря последней зависимости можно утверждать, что вектор действия магнитного поля может измениться при повороте проводника или изменении направления тока. Правило левой руки позволяет установить направление действия. Если левую руку расположить таким образом, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, четыре пальца были направлены по току в проводнике, то отогнутый на 90 ° большой палец покажет направление действия магнитного поля.

Применение этому воздействию человечеством найдено, к примеру, в электродвигателях. Вращение ротора вызывается магнитным полем, созданным мощным электромагнитом. Формула силы позволяет судить о возможности изменения мощности двигателя. С увеличением силы тока или величины поля вращательный момент возрастает, что приводит к увеличению мощности двигателя.

Траектории частиц

Взаимодействие магнитного поля с зарядом широко используется в масс-спектрографах при исследовании элементарных частиц.

Действие поля при этом вызывает появление силы, названной силой Лоренца. При попадании в магнитное поле движущейся с некоторой скоростью заряженной частицы формула которой имеет вид F = vBqsinα, вызывает движение частицы по окружности.

В этой математической модели v - модуль скорости частицы, электрический заряд которой - q, В - магнитная индукция поля, α - угол между направлениями скорости и магнитной индукции.

Частица движется по окружности (либо дуге окружности), так как сила и скорость направлены под углом 90 ° друг к другу. Изменение направления линейной скорости вызывает появление ускорения.

Правило левой руки, рассмотренное выше, имеет место и при изучении силы Лоренца: если левую руку расположить таким образом, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, четыре пальца, вытянутых в линию, были направлены по скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90 ° большой палец покажет направление действия силы.

Проблемы плазмы

Взаимодействие магнитного поля и вещества используется в циклотронах. Проблемы, связанные с лабораторным изучением плазмы, не позволяют содержать ее в замкнутых сосудах. Высоко может существовать только при высоких температурах. Удержать плазму в одном месте пространства можно посредством магнитных полей, закручивая газ в виде кольца. Управляемые можно изучать, также закручивая высокотемпературную плазму в шнур при помощи магнитных полей.

Пример действия магнитного поля в естественных условиях на ионизированный газ - Полярное сияние. Это величественное зрелище наблюдается за полярным кругом на высоте 100 км над поверхностью земли. Загадочное красочное свечение газа пояснить смогли лишь в ХХ веке. Магнитное поле земли вблизи полюсов не может препятствовать проникновению солнечного ветра в атмосферу. Наиболее активное излучение, направленное вдоль линий магнитной индукции, вызывает ионизацию атмосферы.

Явления, связанные с движением заряда

Исторически сложилось так, что основной величиной, характеризующей протекание тока в проводнике, называют силу тока. Интересно, что это понятие ничего общего с силой в физике не имеет. Сила тока, формула которой включает заряд, протекающий за единицу времени через поперечное сечение проводника, имеет вид:

I = q/t, где t - время протекания заряда q.

Фактически, сила тока - величина заряда. Единицей ее измерения является Ампер (А), в отличие от Н.

Определение работы силы

Силовое воздействие на вещество сопровождается совершением работы. Работа силы - физическая величина, численно равная произведению силы на перемещение, пройденное под ее действием, и косинус угла между направлениями силы и перемещения.

Искомая работа силы, формула которой имеет вид A = FScosα, включает величину силы.

Действие тела сопровождается изменением скорости тела или деформацией, что говорит об одновременных изменениях энергии. Работа силы напрямую зависит от величины.

христ.) – один из «девяти чинов ангельских». По классификации Псевдо-Дионисия Ареопагита – пятый чин, вместе с господствами и властями составляющий вторую триаду.

Отличное определение

Неполное определение ↓

СИЛА

немеханическая, метафизическая). Полихроносная ориентация скрытой поглощенности, являющейся комплементарной к какой-либо структуре, к самой этой структуре. Для субъективного сознания С. может предстоять только как виртуальность. В объективном также нет никаких сил. С. - всегда симптом среза или разреза существования, изменения характера вычленения части из целого.

Таким образом, комплекс сила-время-движение-структура - всегда данность недополненности по проницаемости, неохватимости целого, на границе части и ей дополнительного. Однако именно С. по своему значению является наибольшим понятийным суррогатом. Она оказывается локально здесь-теперь представляемой проекцией множественности факторов.

Субъект ощущает не те или иные внутренние психические силы, но даже в самом крайнем или экстремальном случае - только давления "сил". Утилизация этих давлений в виде актов и аффектов также оставляет любые пред-полагаемые новые силы скрытыми.

Мы вполне можем перейти от обычных феноменов к микрофеноменам, реальным, но лежащих вне обычных обыденных и научных кажимостей, однако переход к какой-либо микромоторике, микрокинестичности невозможен.

Тривиальное определение силы как меры воздействия эвристически неприемлемо. Все то, что связано с энергией, предстает как прорыв недобытия через ту или иную систему запретов, определяемую структурами конкретней данности. При этом сам прорыв канализируется определенным образом. Вопрос осложняется тем, что структуры не могут существовать ни в каком качестве, если заведомо не являются уже данной оформленностью энергетического прорыва. В некое гипотетическое абсолютное мгновение никаких структур нет - они временные порождения, а за

гранью циклов - инертные повторы.

Отличное определение

Неполное определение ↓