Физикада күштер дегеніміз не. Күштердің негізгі түрлері. Күштің жалпы сипаттамасы

Денелердің механикалық қозғалысы кезіндегі физикалық процестерді сипаттайтын бірқатар заңдар бар.

Физикадағы күштердің келесі негізгі заңдары бөлінеді:

• тартылыс заңы;
• заң ауырлық;
• үйкеліс күшінің заңдары;
• серпімділік күшінің заңы;
• Ньютон заңдары.

тартылыс заңы

Ескерту 1

Ауырлық күші әрекеттің бір көрінісі гравитациялық күштер.

Гравитация денеге планетаның жағынан әсер ететін және оған еркін түсу үдеуін беретін күш ретінде ұсынылған.

Еркін түсуді $mg = G\frac(mM)(r^2)$ түрінде қарастыруға болады, одан еркін құлау үдеуінің формуласын аламыз:

$g = G\frac(M)(r^2)$.

Ауырлық күшін анықтау формуласы келесідей болады:

$(\overline(F))_g = m\overline(g)$

Гравитацияның белгілі бір таралу векторы бар. Ол әрқашан тігінен төмен, яғни планетаның орталығына бағытталған. Ауырлық күші денеге үнемі әсер етеді және бұл оның еркін құлауын білдіреді.

Ауырлық күшінің әсерінен қозғалыс траекториясы мыналарға байланысты:

• объектінің бастапқы жылдамдығының модулі;
• дененің жылдамдығының бағыты.

Адам бұл физикалық құбылыспен күн сайын кездеседі.

Ауырлық күшін $P = mg$ формуласымен де көрсетуге болады. Еркін түсуді жеделдету кезінде қосымша шамалар да есепке алынады.

Исаак Ньютон тұжырымдаған бүкіләлемдік тартылыс заңын қарастырсақ, барлық денелердің белгілі бір массасы болады. Олар бір-біріне күшпен тартылады. Ол тартылыс күші деп аталады.

$F = G\frac(m_1m_2)(r^2)$

Бұл күш екі дененің массаларының көбейтіндісіне тура пропорционал және олардың арасындағы қашықтықтың квадратына кері пропорционал.

$G = 6,7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((кг)^2\ )$, мұндағы $G$ – гравитациялық тұрақты және халықаралық жүйеөлшеулер SI тұрақты мәні.

Анықтама 1

Салмақ - тартылыс пайда болғаннан кейін дененің планетаның бетінде әрекет ететін күші.

Дене тыныштықта немесе көлденең бетінде біркелкі қозғалатын жағдайларда, салмақ тіректің реакция күшіне тең болады және мәні бойынша ауырлық күшінің шамасымен сәйкес келеді:

Сағат біркелкі үдетілген қозғалыстігінен салмақ үдеу векторына негізделген ауырлық күшінен өзгеше болады. Үдеу векторы қарама-қарсы бағытқа бағытталған кезде шамадан тыс жүктеме жағдайы пайда болады. Дене тіреуішпен бірге $a = g$ үдеуімен қозғалған жағдайда, салмақ нөлге тең болады. Нөлдік салмақ күйі салмақсыздық деп аталады.

Гравитациялық өрістің күші келесі түрде есептеледі:

$g = \frac(F)(m)$

$F$ мәні - массасы $m$ болатын материалдық нүктеге әсер ететін тартылыс күші.

Дене өрістің белгілі бір нүктесіне қойылады.

Массалары $m_1$ және $m_2$ екі материалдық нүктенің гравитациялық әсерлесуінің потенциалдық энергиясы бір-бірінен $r$ қашықтықта болуы керек.

Гравитациялық өрістің потенциалын мына формула бойынша табуға болады:

$\varphi = \Pi / m$

Мұндағы $П$ – потенциалдық энергия материалдық нүктемассасы $m$. Ол өрістің белгілі бір нүктесіне қойылады.

Үйкеліс күшінің заңдары

Ескерту 2

Үйкеліс күші қозғалыс кезінде пайда болады және дененің сырғуына қарсы бағытталған.

Статикалық үйкеліс күші қалыпты реакцияға пропорционал болады. Статикалық үйкеліс күші үйкеліс беттерінің пішіні мен өлшеміне байланысты емес. Үйкелістің статикалық коэффициенті жанасатын және үйкеліс күшін тудыратын денелердің материалына байланысты. Дегенмен, үйкеліс заңдарын тұрақты және дәл деп атауға болмайды, өйткені зерттеу нәтижелерінде әртүрлі ауытқулар жиі байқалады.

Үйкеліс күшін дәстүрлі жазу үйкеліс коэффициентін ($\eta$) пайдалануды қарастырады, $N$ қалыпты қысым күші.

Сонымен қатар сыртқы үйкеліс, домалау үйкеліс күші, сырғанау үйкеліс күші, тұтқыр үйкеліс күші және үйкелістің басқа түрлері бар.

Серпімділік күшінің заңы

Серпімділік күші дененің қаттылығына тең, оны деформация шамасына көбейтеді:

$F = k \cdot \Delta l$

Серпімділік күшін табудың классикалық күш формуласында негізгі орынды дененің қаттылығы ($k$) және дененің деформациясы ($\Дельта l$) алады. Күштің өлшем бірлігі – Ньютон (N).

Мұндай формула деформацияның ең қарапайым жағдайын сипаттай алады. Ол Гук заңы деп аталады. Онда денені кез келген жолмен деформациялауға тырысқанда, серпімділік күші нысанның пішінін бастапқы пішініне қайтаруға бейім болады деп айтады.

Процесті түсіну және дәл сипаттау физикалық құбылысқосымша ұғымдарды енгізу. Серпімділік коэффициенті мыналарға тәуелділікті көрсетеді:

• материалдың қасиеттері;
• шыбықтың өлшемдері.

Атап айтқанда, штанганың өлшемдеріне немесе көлденең қимасының ауданы мен ұзындығына тәуелділігі ерекшеленеді. Сонда дененің серпімділік коэффициенті былай жазылады:

$k = \frac(ES)(L)$

Мұндай формулада $E$ шамасы бірінші түрдегі икемділік модулі болып табылады. Оны Янг модулі деп те атайды. Ол белгілі бір материалдың механикалық сипаттамаларын көрсетеді.

Түзу жолдарды есептеу кезінде Гук заңы салыстырмалы түрде қолданылады:

$\Delta l = \frac(FL)(ES)$

Гук заңын қолдану салыстырмалы түрде аз деформациялар үшін ғана тиімді болатыны атап өтілген. Егер пропорционалдылық шегінің деңгейі асып кетсе, онда деформациялар мен кернеулер арасындағы байланыс сызықты емес болады. Кейбір БАҚ үшін Гук заңын тіпті шағын деформациялармен де қолдануға болмайды.

Гравитациялық күштер (гравитациялық күштер).

Жермен байланысты санақ жүйесінде кез келген массасы m денеге күш әсер етеді: , ауырлық күші деп аталады – дененің Жерге тартылу күші. Жерге тартылу күшінің әсерінен барлық денелер бірдей үдеумен түседі, оны еркін түсу үдеуі деп атайды.

дененің салмағы- дененің Жерге қарай тартылыс күшінің әсерінен тірекке әсер ететін немесе ілу жібін тартып алатын күші деп аталады.

Ауырлық күші әрқашан әсер етеді, ал салмақ денеге ауырлықтан басқа күштер әсер еткенде ғана пайда болады. Ауырлық күші дененің Жерге қатысты үдеуі нөлге тең болғанда ғана дене салмағына тең болады. Әйтпесе, Жерге қатысты тірекпен дененің үдеуі қайда. Егер дене гравитациялық күш өрісінде еркін қозғалса, онда салмақ нөлге тең, яғни. дене салмақсыз болады.

Салмақсыздық— дененің тек ауырлық күшінің әсерінен ғана қозғалатын күйі.

серпімді күштерденелердің деформациясымен бірге жүретін өзара әрекеттесу нәтижесінде пайда болады.

Серпімділік күші бөлшектің тепе-теңдік күйден ығысуына пропорционал және тепе-теңдік күйге бағытталған:

мұндағы бөлшектің тепе-теңдік күйден ығысуын сипаттайтын радиус векторы, серпімділік. Мұндай күштің мысалы ретінде серіппенің созылу немесе қысылу кезіндегі деформациясының серпімді күшін келтіруге болады.

сырғанау үйкеліс күшіБерілген дене басқа дененің бетімен сырғанау кезінде пайда болады:

мұндағы k – жанасатын беттердің сипаты мен жағдайына байланысты сырғанау үйкелісінің коэффициенті; N - үйкеліс беттерін бір-біріне басатын қалыпты қысым күші.

Үйкеліс күші берілген дененің екіншісіне қатысты қозғалысына қарама-қарсы бағытта үйкеліс беттеріне тангенциалды түрде бағытталған.

§ 13. Энергия. Жұмыс және қуат

Энергияқозғалыс пен әрекеттестіктің әртүрлі формаларының әмбебап өлшемі болып табылады. Энергияның әртүрлі формалары зат қозғалысының әртүрлі формаларымен байланысты: механикалық, жылулық, электромагниттік, ядролық және т.б.

Дененің механикалық қозғалысы мен энергиясының өзгеруі осы дененің басқа денелермен күш әсерлесу процесінде болады. Механикадағы бұл процесті сандық сипаттау үшін күштің атқаратын жұмысы түсінігі енгізіледі.

13.1-сурет

Егер қарастырылып отырған күш тұрақты болса және ол әсер ететін дене ілгерілемелі және түзу сызықты қозғалса, онда дене жолдан өткенде күштің атқаратын жұмысы шама деп аталады.

Қайда A -күш пен дененің қозғалыс бағыты арасындағы бұрыш.

13.2-сурет

Жұмыс- скаляр шама. Егер күш векторы мен орын ауыстыру векторы сүйір бұрыш түзсе, яғни. , онда, егер, онда, яғни. дененің орын ауыстыруына перпендикуляр әсер ететін күш жұмыс істемейді.

Жалпы жағдайда дене ерікті, біршама күрделі түрде қозғала алады (13.2-сурет). Жолдың қарапайым бөлігін таңдаңыз dS, оған қатысты күшті тұрақты деп санауға болады, ал орын ауыстыру түзу сызықты. Бұл бөлімдегі қарапайым жұмыс тең

Жолдағы жалпы жұмыс интегралмен анықталады

Жұмыстың өлшем бірлігі – джоуль ( Дж) - 1Н күштің 1м жолда істеген жұмысы: 1J-1Ns.

13.3-сурет

Материалдық нүктеге әсер ететін күш консервативті немесе потенциалды деп аталады, егер бұл күштің осы нүктені ерікті 1 позициядан екінші 2-ге жылжытқанда атқаратын жұмысы бұл қозғалыстың қандай траектория болғанына байланысты болмаса:

=

Нүктенің траектория бойынша қозғалыс бағытын өзгерту консервативті күштің таңбасының өзгеруіне әкеледі, өйткені шама таңбаны өзгертеді. Сондықтан материалды нүктені тұйық траектория бойынша жылжытқанда, мысалы 1- а-2- б-1 , консервативті күштің жұмысы нөлге тең.

Консервативті күштерге бүкіләлемдік тартылыс күштері, серпімділік күштері, зарядталған денелердің электростатикалық әсерлесу күштері мысал бола алады. Материалдық нүктені еркін тұйық траектория бойынша жылжытқандағы күштердің жұмысы нөлге тең өріс потенциал деп аталады.

Жұмыс қарқынын сипаттау үшін ұғымды енгізіңіз қуат. Қуат күш векторының скаляр көбейтіндісіне және осы күштің әсер ету нүктесі қозғалатын жылдамдық векторына тең.

Қуат бірлігі - ватт (Вт): 1 Вт - 1 секундта 1 Дж жұмыс істейтін қуат: \u003d 1W \u003d 1Дж/с.

«Күш» ұғымдарының алуан түрлілігі бар. Ол ғылым мен өмірдің әртүрлі салаларында қолданылады. Ең кеңірек анықтама физикада берілген.

Анықтама 1

Физикада күш әртүрлі денелердің өзара әрекеттесуінің өлшемі болып табылады.

Қоршаған дүниедегі барлық денелер бір-біріне әсер етеді. Мұндай әрекеттесу белгілі бір күштердің әсерінен туындайды. Бұл қуат процестері тікелей байланысты:

• жылдамдықтың өзгеруімен;
• дене деформациясымен.

Күш формуласы белгілі бір математикалық модельді құрайды, оған сәйкес күштің негізгі параметрлерге тәуелділігін зерттеу тарихы өтеді. Зерттеудің нәтижесі осындай тәуелділіктің бар екендігінің эксперименттік дәлелі болуы керек.

SI жүйесінде күштің өзіндік өлшем бірлігі бар. Бұл көрсеткішті анықтау үшін арнайы ғылыми аппаратура қолданылады. Күшті өлшеуге арналған ең қарапайым құрал - динамометр.

Бұл құрылғы денеге әсер ететін күшті форметрге орнатылған серіппенің серпімді күшімен салыстырады.

Күш векторлық шама және келесімен анықталады:

• қолдану нүктесі;
• әрекет бағыты;
• абсолютті мән.

Анықтама 2

1 Ньютон (N) күш деп салмағы 1 кг дененің бір секундта өз жылдамдығын 1 метрге өзгертетін күшін айтады.

Күшті сипаттау кезінде оның параметрлері міндетті түрде көрсетілуі керек.

қысым күші

Табиғи шығу тегі бар өзара әрекеттесулердің бірнеше түрі бар:

• гравитациялық әрекеттесу;
• электромагниттік әсерлесулер;
• әлсіз және күшті өзара әрекеттесу.

Олар массасы бар кез келген денені қоршайды. Гравитация - ауырлық күші, соның ішінде оның түрлері. Қазіргі уақытта Ғаламдағы гравитациялық өрістердің өзара әрекеттесуі белсенді түрде зерттелуде және зерттеулер көптеген сұрақтарға, соның ішінде мұндай күштердің пайда болуы мен өмір сүруіне қатысты сұрақтарға нақты жауап бере алмайды. Ғаламдық өрістің көзі әлі табылған жоқ, бірақ гравитациялық күштердің айтарлықтай бөлігі атом деңгейіндегі электромагниттік өзара әрекеттесу нәтижесінде пайда болатыны белгілі. Өздеріңіз білетіндей, барлық заттар атомдар мен молекулалардан тұрады. Бұл факт барлығына негіз болды қазіргі заманғы зерттеулеросы салада.

Денелердің жер бетімен әрекеттесуіндегі тартылыс күштері қысым жасайды. Қысым күші дененің массасымен (m) анықталады және оны $P=mg$ формуласынан көруге болады, мұндағы g – еркін түсу үдеуі. Бұл мән планетаның әртүрлі ендіктерінде әртүрлі көрсеткіштерге ие.

Тік қысым күші абсолютті мәнде тең, бірақ серпімділік күшінің бағытына қарама-қарсы. Бұл жағдайда күш формуласы дененің қозғалысына байланысты өзгереді.

Дененің салмағы әдетте Жермен әрекеттескеннен кейін дененің тірекке әрекеті ретінде көрсетіледі. Дене салмағының мөлшері тік бағытта болатын қозғалыстың үдеуіне байланысты. Үдеу бағыты өзгерген кезде салмақтың жоғарылауы байқалады. Ол еркін түсу үдеуіне қарама-қарсы бағытта әрекет етуі керек. Дененің жылдамдауы кезінде салмақтың төмендеуі байқалады. Ол еркін түсу бағытымен сәйкес келуі керек.

Серпімділік күші

Дене пішіні деформацияланған кезде басқа күш пайда болады. Ол денені бастапқы қалпына келтіруге бағытталған. Серпімділік күші бөлшектердің электрлік әсерлесуінен туындауы мүмкін. Деформациялар екі негізгі түрге бөлінеді: қысу және керілу. Созылған кезде дененің сызықтық өлшемдері ұлғаяды. Қысу кері процесспен сипатталады, оның барысында дененің сызықтық өлшемдерінің төмендеуі байқалады.

Серпімділік күшінің формуласы келесідей:

Ол тек серпімді деформация процестерінде қолданылады.

Магнит өрісінің токпен әрекеттесуі

Ампер заңы әсерді сипаттайды магнит өрісіоған орналастырылған ток бар өткізгіште.

Қуат көріністері магнит өрісі мен қозғалыстағы электр зарядының өзара әрекеттесуінен туындайды.

Ампер күші мына формуламен анықталады:

• $I$ - өткізгіштегі ток күші,
• $l$ - өткізгіштің белсенді бөлігінің ұзындығы,
• $В$ – магниттік индукция.

Бұл тәуелділік магнит өрісінің векторы өткізгіш бұрылғанда, сондай-ақ ток бағыты өзгергенде өзгеретінін болжайды.

Лоренц күші

Оқуда элементар бөлшектермагнит өрісінің зарядпен әрекеттесу деңгейі бекітілген спектрографтардың мәліметтері белсенді қолданылады. Мұндай процесте Лоренц өзінің теңдеуімен сипаттаған тағы бір күш пайда болады. Ол белгілі бір жылдамдықпен қозғалатын зарядталған бөлшек магнит өрісіне енгенде пайда болады.

Лоренц күші мына формуламен анықталады:

$F = vBqsinα$, мұндағы:

• $v$ – бөлшектердің жылдамдығының модулі,
• $В$ – өрістің магниттік индукциясы,
• $q$ - электр зарядызерттелетін бөлшек.

Бұл күш зарядталған бөлшекті шеңбер бойымен жылжытады.

Магнит өрісі мен заттың өзара әрекеттесуі циклотрондарда қолданылады, олар термоядролық реакция процесін тудыруға тырысады, бірақ әзірге ол жоқ. тиімді жолыэнергияның жаңа көзін құру.

Күштің ағымдағы күші және жұмысы

Анықтама 3

Ток күші - өткізгіштегі ток ағынын сипаттайтын негізгі шама.

$I = q/t$ формуласы, мұндағы $q$ - заряд, $t$ - ағын уақыты, өткізгіштің көлденең қимасы арқылы уақыт бірлігінде өтетін зарядты қамтиды.

Күштің жұмысы сандық құрамы бойынша күш пен орын ауыстырудың көбейтіндісіне тең болатын осындай физикалық шама деп аталады. Оған әсер ету арқылы қол жеткізу керек. Затқа күш әрекеті жұмысты орындаумен бірге жүреді.

Жұмыс күші келесі формуламен өрнектеледі $A = FScosα$, оған күштің шамасы кіреді. Дененің әрекетінің өзі дененің жылдамдығы өзгергенде, сондай-ақ ықтимал деформация кезінде пайда болады. Бұл энергияда бір мезгілде өзгерістер бар дегенді білдіреді. Күштің атқаратын жұмысы оның шамасына тікелей байланысты.