Лекции по механике (стр. 5 из 9)

Строго говоря, силы в механике могут быть сведены к этим двум взаимодействиям, тем более, что два других типа описывают взаимодействия, существующие только в микромире. В частности, сильное взаимодействие может объяснить наличие ядерных сил, ответственных за устойчивость атомного ядра. Слабые взаимодействия возникают между микрочастицами, обладающими так называемым слабым зарядом. До 1983 года этот тип взаимодействия рассматривался только теоретиками, но в этом году экспериментально была открыта W⁺ - частица с энергией 81 ГэВ ( Гига - 10⁹, электрон - Вольт - единица измерения энергии, равная 1,6•10 ^-19 Джоуля), так что слабое взаимодействие получило опытное подтверждение.

Из таблицы 1 видно, что гравитационные силы являются слабейшими из всех фундаментальных взаимодействий, однако они обладают свойствами аддитивности и достигают значительных величин в космическом масштабе ( притяжение Луны, строение Солнечной системы и т.п.). Величина гравитационной силы притяжения двух точечных масс m₁ и m₂ определена Ньютоном и известна как закон всемирного тяготения:

, ( 2-6 )

где r - расстояние между массами, а G = 6,67 10 ^-11 Н· м²/кг² - гравитационная постоянная. Чтобы подчеркнуть, что сила - вектор, закон записывают несколько иначе, рассматривая силу, действующую на m₂ со стороны m₁:

r₁₂ , ( 2-7 )

откуда видно направление силы ( она направлена вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие массы). Модуль силы притяжения P тела массы m к Земле , которую называют силой тяжести можно записать так:

( 2-8 )

где величина

- ускорение свободного падения, М_З- масса Земли, а R_З - радиус Земли. Из выражения g видно, что оно не зависит от массы выбранного тела и поэтому одинаково для всех тел в определенной точке земной поверхности.

N а Р Рис.7. К определению веса тела.

Важно подчеркнуть различие двух понятий - силы тяжести и веса тела: первая сила существует всегда, когда есть притягивающая масса МЗ, тогда как вторая, представляющая меру воздействия тела на подставку или нить подвеса, вообще говоря может изменяться. Для пояснения сказанного полезно рассмотреть показания весов, на которых стоит гиря. В неподвижном состоянии на гирю действует две силы - сила тяжести Р и сила реакции опоры ( весов )N, причем Р - N = 0. Если весы движутся

вниз с ускорением а (см рис.7), то уравнение второго закона Ньютона, записанное в неподвижной системе координат[6], имеет вид:

ma = P - N , ( 2-9 )

откуда N = P - ma = mg - ma = m( g - a ). ( 2-10 )

По третьему закону Ньютона сила реакции опоры N равна и противоположно направлена силе давления гири на весы , т.е. весу гири ( N = ). Поэтому вес
гири = m (g - a). ( 2-11 ) . Очевидно, что при а = g = 0, т.е. все свободно падающие тела ничего не весят. Сила тяжести на поверхности Земли не является постоянной по двум причинам: во-первых, Земля, как известно не является идеальным шаром ( она сплюснута на

r q R Рис.8. Изменение ра диуса вращения.

полюсах так, что на полюсах g больше, чем на экваторе); во-вторых, вследствие суточного вращения Земли, на все тела на ее поверхности (за исключением географических полюсов) действует центростремительное ускорение aц = соsq, направленное в ту же сторону, что и g. Поэтому (ср. с рис.7) вес тел будет меньше там, где радиус вращения больше, т.е. на экваторе тела имеют наименьший вес. Кроме гравитационных сил в механике рассматриваются упругие силы и силы трения, которые обусловле-

ны электрическими силами. Силы упругости обусловлены деформациями. Деформации связаны с изменением взаимного расположения молекул, образующих рассматриваемое тело, причем силы возникают лишь тогда, когда деформации носят упругий характер. В этом случае справедлив закон Гука так, что , ( 2-12 ) д
где x обозначает величину упругой деформации, а к - коэффициент пропорциональности, зависимый от свойств деформируемого тела и вида деформации. Частным примером проявления упругих сил служат силы реакции опор, направление которых считается всегда нормальным ( перпендикулярным ) к деформируемой поверхности. Другим примером действия упругих сил могут служить так называемые силы связи ( силы натяжения ).

Рассмотрение сил трения можно ограничить двумя примерами : силами сухого и силами вязкого трения[7]. Сила сухого трения скольжения известна из школьного курса физики: F_тр = -m N, где m - коэффициент трения, характеризующий свойства взаимодействующих поверхностей, а N - так называемая сила нормального давления . В отличие от сил вязкого трения эта сила не зависит от скорости движения тела. Сила вязкого трения, напротив, зависит от величины скорости, причем степень зависимости меняется по мере возрастания скорости. Для сравнительно небольших скоростей она может быть представлена в таком виде:

F_вяз = - bv = - . ( 2-13 )

Величина коэффициента b зависит как от свойств самого тела, которое движется в вязкой среде, так и от свойств среды. Иногда эту силу трения удобнее представлять в таком виде:

F_вяз = - kS

, ( 2-14 )

где S - площадь соприкосновения тела со средой, k - коэффициент внутреннего трения среды, а величина производной, входящей в выражение для силы, носит название градиента скорости, описывающего быстроту изменения скорости слоев среды, увлекаемых телом, в направлении, перпендикулярном направлению скорости тела.

Практически важное значение имеет сила трения покоя , возникающая между соприкасающимися телами. Максимальную величину этой силы обычно оценивают по формуле для силы трения скольжения, хотя в действительности они несколько отличаются друг от друга.