Силы в природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

"Национальный исследовательский Томский политехнический университет"

Институт Кибернетики

Направление подготовки: Мехатроника и робототехника

Кафедра: Интегрированных компьютерных систем управления

Реферат

на тему: "Силы в природе"

Выполнил: Сергеев А.С.

Принял: доцент каф. ЭФ Кравченко Н.С.

Томск - 2016

Введение

Современные достижения физики высоких энергий все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют составных частей.

Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов - это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы, также обладают внутренней структурой и, следовательно, не являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим примером элементарной частицы является квант света - фотон.

Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.

Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами.

При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.

В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Cила

Скорость тела относительно Земли изменяется, когда на него действуют другие тела. К примеру:

Человек, когда толкает вагонетку, приводит её в движение. В этом случае скорость вагонетки будет изменяться под действием силы руки человека.

Рассмотрим другой пример:

Когда взаимодействует рука с шаром мы наблюдаем, что витки пружины начинают двигаться, и пружина сжимается. Отпустив ее, мы увидим, как пружина, распрямляясь, приводит в движение шар. Сначала действующим телом здесь была рука человека. Затем стала пружина.

Во всех вышеприведенных примерах причиной изменения скорости тела было действие, оказываемое на него другими телами. Мерой этого действия является векторная физическая величина, называемая силой.

Сила векторная величина, как и другие векторные величины. Сила характеризуется не только числовым значением, но и своим направлением.

Силу обычно обозначают буквой F.

Если сила к телу не приложена (F = 0), то это означает, что никакого действия на него не оказывается, и потому скорость такого тела относительно Земли не изменяется. Если же, наоборот, сила F ? 0, то тело испытывает некоторое воздействие, и его скорость изменяется. При этом, чем больше сила F, тем значительнее изменяется скорость тела относительно Земли.

Единицей силы в СИ является ньютон. H - это сила, которая за 1 секунду изменяет скорость тела массой 1 килограмм на 1 м/с. Эта единица названа в честь великого ученого И. Hьютона.

Рассмотрим наиболее известные силы.

Равнодействующая сила

Обычно на любое движущееся тело действует не одно, а сразу несколько окружающих его тел.

Например: Когда тело падает, на него действует не только Земля, но и воздух.

Когда на материальную точку действует несколько тел, их общее действие характеризуется равнодействующей силой.

Для нахождения равнодействующей силы есть несколько правил.

1) Если к телу приложены две силы F(1) и F(2), направленные по одной прямой в одну сторону, то их равнодействующая F находится по формуле

F = F1 + F2.

При этом направление равнодействующей силы совпадает с направлением приложенных сил

2) Если к телу приложены две силы F(1) и F(2), направленные по одной прямой в противоположные стороны, то при F

F(1) > F(2) их равнодействующая F находится по формуле

F = F(1) - F(2).

Направление равнодействующей силы в этом случае совпадает с направлением большей из приложенных сил. Если при этом F(1) = F(2), то их равнодействующая F окажется равной нулю. В этом случае покоящееся тело так и будет покоиться, а движущееся тело будет совершать равномерное и прямолинейное движение с той скоростью, которая у него была.

Про две силы, равные по величине и направленные вдоль одной прямой в противоположные стороны, говорят, что они уравновешивают или компенсируют друг друга. Равнодействующая F таких сил всегда равна нулю и потому изменить скорость тела не может.

Для изменения скорости тела относительно Земли необходимо, чтобы равнодействующая всех приложенных к телу сил была отлична от нуля. В том случае, когда тело движется в направлении равнодействующей силы, его скорость возрастает; при движении в противоположном направлении скорость тела убывает.

Сила тяжести

Почему тело, брошенное в горизонтальном направлении, через несколько секунд оказывается на земле?

Почему тело, выпущенное из рук, падает вниз?

У этих явлений одна причина - притяжение Земли.

Сила притяжения к Земле называется силой тяжести. Сила тяжести направлена вертикально вниз. Когда тело под действием притяжения к Земле падает вниз, на него действует не только Земля, но и другие воздействия. В тех случаях, когда сила сопротивления воздуха пренебрежимо мала по сравнению с силой тяжести, падение тела называют свободным.

Чтобы определить силу тяжести, надо массу этого тела умножить на ускорение свободного падения:

F(T) = mg

Из этой формулы следует, что g = F(T)/m. Но F(T) измеряется в ньютонах, a m - в килограммах. Поэтому величину g можно измерять в ньютонах на килограмм:

g = 9,8 Н/кг ?10 Н/кг.

С увеличением высоты над Землей ускорение свободного падения постепенно уменьшается. Уменьшение ускорения свободного падения означает, что и сила тяжести по мере увеличения высоты над Землей также уменьшается. Чем дальше тело находится от Земли, тем слабее она его притягивает.

Сила упругости

На все тела, находящиеся вблизи Земли, действует ее притяжение. Под действием силы тяжести падают на Землю капли дождя, снежинки.

Но когда капли лежат на крыше, его притягивает Земля, однако он не проходит и не проваливается сквозь крышу, а остается в покое. Что препятствует его падению? Крыша. Она действует на капли с силой, равной силе тяжести, но направленной в противоположную сторону.

Рассмотрим один пример. Изображена доска, лежащая на двух подставках. Если на ее середину поместить тело, то под действием силы тяжести тело начнет продавливать доску, но через несколько минут, остановится. При этом сила тяжести станет уравновешенной силой, действующей на тело со стороны изогнутой доски и направленной вертикально вверх. Эта сила называется силой упругости.

Сила упругости возникает при деформации. Деформация - это изменение формы или размеров тела. Одним из видов деформации является изгиб. Чем больше прогибается опора, тем больше сила упругости, действующая со стороны этой опоры на тело. Перед тем как тело (гирю) положили на доску, эта сила отсутствовала. По мере движения гири, которая все сильнее и сильнее прогибала свою опору, возрастала и сила упругости. В момент остановки гири сила упругости достигла силы тяжести, и их равнодействующая стала равной нулю.

Если на опору поместить достаточно легкий предмет, то ее деформация может оказаться столь незначительной, что никакого изменения формы опоры мы не заметим. Но деформация все равно будет! А вместе с ней будет действовать и сила упругости, препятствующая падению тела, находящегося на данной опоре. В подобных случаях (когда деформация тела незаметна и изменением размеров опоры можно пренебречь) силу упругости называют силой реакции опоры.

Если вместо опоры использовать какой-либо подвес (нить, веревку, проволоку, стержень и т. д.), то прикрепленный к нему предмет также может удерживаться в покое. Сила тяжести и здесь будет уравновешена противоположно направленной силой упругости. Сила упругости при этом возникает из-за того, что подвес под действием прикрепленного к нему груза растягивается. Растяжение еще один вид деформации.

Большой вклад внес в изучение силы упругости ученый Р. Гук. Закон Гука гласит:

Сила упругости, возникающая при растяжении или сжатии тела, пропорциональна его удлинению.

Если удлинение тела, т.е. изменение его длины, обозначить через х, а силу упругости - через F(упр), то по закону Гука можно придать следующую математическую форму:

F(упр) = kx

где k - коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью тела. У каждого тела своя жесткость. Чем больше жесткость тела (пружины, проволоки, стержня и т. д.), тем меньше оно изменяет свою длину под действием данной силы.

Единицей жесткости в СИ является ньютон на метр (1 Н/м).

Вес тела

Постоянно мы говорим: "весит 50 килограмм" и т.д. Но мы не знаем, что допускаем ошибку. Масса это мера инертности тела, каким образом тело реагирует на приложенное к нему воздействие, либо же само воздействует на другие тела. А вес тела это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или вертикальный подвес под влиянием притяжения Земли.

Масса измеряется в килограммах, а вес тела, как и любая другая сила в ньютонах. Вес тела имеет направление, как и любая сила, и является величиной векторной. А масса не имеет никакого направления и является величиной скалярной.

Вес тела как и сила тяжести направлена вниз.

Вес тела обычно обозначают буквой P.

Формула веса тела в физике записывается следующим образом:

P=mg

где m - масса тела

Но, несмотря на совпадение с формулой и направлением силы тяжести, есть серьезное различие между силой тяжести и весом тела. Сила тяжести приложена к телу, то есть, грубо говоря, это она давит на тело, а вес тела приложен к опоре или подвесу, то есть, здесь уже тело давит на подвес или опору.

Но природа существования силы тяжести и веса тела одинакова притяжение Земли. Собственно говоря, вес тела является следствием приложенной к телу силы тяжести. И, так же как и сила тяжести, вес тела уменьшается с увеличением высоты.

Сила трения

Если вы попытаетесь сдвинуть с места шкаф, то сразу убедитесь, что это не так-то просто сделать. Его движению будет мешать взаимодействие ножек с полом, на котором он стоит.

Взаимодействие, возникающее в месте соприкосновения тел и препятствующее их относительному движению, называют трением, а характеризующую это взаимодействие силу - силой трения.

Различают три вида трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

1) Трение покоя. Положим тело на наклонную плоскость. При небольшом угле наклона плоскости тело может остаться на месте. Что будет удерживать его от соскальзывания вниз? Трение покоя. Сила трения покоя может быть любой.

Она изменяется вместе с силой, стремящейся сдвинуть тело с места. Но для любых двух взаимодействующих тел она имеет некоторое максимальное значение, больше которого быть не может.

Приложив к телу силу, превышающую максимальную силу трения покоя, мы сдвинем его с места, и тело начнет двигаться. Трение покоя при этом сменится трением скольжения. трение сила тяготение

2) Трение скольжения. Из-за чего постепенно останавливаются санки? Из-за трения скольжения. Сила трения скольжения направлена всегда в сторону, противоположную направлению движения тела.

3) Трение качения. Если тело не скользит по поверхности другого тела, а как колесо или цилиндр, катится, то возникающее в месте их контакта трение называют трением качения.

Катящееся колесо несколько вдавливается в полотно дороги, и потому перед ним все время оказывается небольшой бугорок, который необходимо преодолевать. Именно тем, что катящемуся колесу постоянно приходится взбираться на появляющийся впереди бугорок, и обусловлено трение качения. При этом, чем дорога тверже, тем трение качения меньше.

Заключение

Итак, мы сделали обзор наиболее известных сил. Кратко описали каждую из сил, рассмотрели примеры из жизни.

Подведем итоги в виде таблицы:

Список литературы

1. http://phscs.ru/

2. http://bcoreanda.com/

3. http://bibliofond.ru

4. http://festival.1september.ru/

5. http://dic.academic.ru

6. http://interneturok.ru

7. https://ru.wikipedia.org

8. https://www.google.com/imghp?hl=ru

9. http://ru.solverbook.com/

10. http://www.fizika.ru

11. http://foxford.ru

12. http://infofiz.ru

13. http://multiurok.ru

Размещено на Allbest.ru