Care sunt forțele în fizică. Principalele tipuri de forțe. Caracteristica generală a forței

Există o serie de legi care caracterizează procesele fizice din timpul mișcărilor mecanice ale corpurilor.

Se disting următoarele legi de bază ale forțelor în fizică:

Legea gravitatiei;
lege gravitatie;
legile forței de frecare;
legea forței elasticității;
legile lui Newton.

Legea gravitației

Observația 1

Gravitația este una dintre manifestările acțiunii forte gravitationale.

Gravitația este reprezentată ca o forță care acționează asupra corpului din partea planetei și îi dă accelerația căderii libere.

Căderea liberă poate fi considerată sub forma $mg = G\frac(mM)(r^2)$, din care obținem formula accelerației în cădere liberă:

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

Formula pentru determinarea gravitației va arăta astfel:

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

Gravitația are un anumit vector de propagare. Este întotdeauna îndreptată vertical în jos, adică spre centrul planetei. Forța gravitației acționează asupra corpului în mod constant și asta înseamnă că face o cădere liberă.

Traiectoria mișcării sub acțiunea gravitației depinde de:

modulul vitezei inițiale a obiectului;
direcția vitezei corpului.

Omul se confruntă cu acest fenomen fizic în fiecare zi.

Forța gravitației poate fi reprezentată și ca formula $P = mg$. La accelerarea căderii libere se iau în considerare și cantități suplimentare.

Dacă luăm în considerare legea gravitației universale, care a fost formulată de Isaac Newton, toate corpurile au o anumită masă. Sunt atrași unul de celălalt cu forță. Se va numi forța gravitațională.

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

Această forță este direct proporțională cu produsul maselor celor două corpuri și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

$G = 6,7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, unde $G$ este constanta gravitațională și are sistem international măsurători valoarea constantă SI.

Definiția 1

Greutatea este forța cu care corpul acționează pe suprafața planetei după apariția gravitației.

În cazurile în care corpul este în repaus sau se mișcă uniform pe o suprafață orizontală, atunci greutatea va fi egală cu forța de reacție a suportului și va coincide ca valoare cu mărimea forței gravitaționale:

La mișcare uniform accelerată pe verticală greutatea va fi diferită de gravitație pe baza vectorului de accelerație. Când vectorul de accelerație este îndreptat în direcția opusă, apare o condiție de suprasarcină. În cazurile în care corpul împreună cu suportul se mișcă cu accelerație $a = g$, atunci greutatea va fi egală cu zero. Starea de greutate zero se numește imponderabilitate.

Puterea câmpului gravitațional se calculează după cum urmează:

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

Valoarea lui $F$ este forța gravitațională care acționează asupra unui punct material cu o masă de $m$.

Corpul este plasat într-un anumit punct al câmpului.

Energia potenţială a interacţiunii gravitaţionale a două puncte materiale cu mase $m_1$ şi $m_2$ trebuie să fie la o distanţă $r$ unul de celălalt.

Potențialul câmpului gravitațional poate fi găsit prin formula:

$\varphi = \Pi / m$

Aici $П$ este energia potențială punct material cu masa $m$. Este plasat într-un anumit punct al câmpului.

Legile forței de frecare

Observația 2

Forța de frecare apare în timpul mișcării și este îndreptată împotriva alunecării corpului.

Forța de frecare statică va fi proporțională cu reacția normală. Forța de frecare statică nu depinde de forma și dimensiunea suprafețelor de frecare. Coeficientul static de frecare depinde de materialul corpurilor care sunt în contact și generează o forță de frecare. Cu toate acestea, legile frecării nu pot fi numite stabile și precise, deoarece în rezultatele cercetării sunt adesea observate diferite abateri.

Scrierea tradițională a forței de frecare presupune utilizarea coeficientului de frecare ($\eta$), $N$ este forța presiunii normale.

Există, de asemenea, frecare externă, forță de frecare de rulare, forță de frecare de alunecare, forță de frecare vâscoasă și alte tipuri de frecare.

Legea forței elastice

Forța elastică este egală cu rigiditatea corpului, care este înmulțită cu cantitatea de deformare:

$F = k \cdot \Delta l$

În formula noastră clasică de forță pentru găsirea forței elastice, locul principal este ocupat de rigiditatea corpului ($k$) și deformarea corpului ($\Delta l$). Unitatea de forță este newtonul (N).

O astfel de formulă poate descrie cel mai simplu caz de deformare. Se numește legea lui Hooke. Se spune că atunci când încercați să deformați corpul în orice mod posibil, forța elastică va tinde să readucă forma obiectului la forma sa originală.

Pentru a înțelege și a descrie cu acuratețe procesul fenomen fizic introduceți concepte suplimentare. Coeficientul de elasticitate arată dependența de:

proprietățile materialelor;
dimensiunile tijelor.

În special, se distinge dependența de dimensiunile tijei sau de aria și lungimea secțiunii transversale. Atunci coeficientul de elasticitate al corpului se scrie astfel:

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

Într-o astfel de formulă, cantitatea $E$ este modulul de elasticitate de primul fel. Se mai numește și modulul lui Young. Reflectă caracteristicile mecanice ale unui anumit material.

Când se calculează bare drepte, legea lui Hooke este utilizată în formă relativă:

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

Se observă că aplicarea legii lui Hooke va fi eficientă doar pentru deformații relativ mici. Dacă nivelul limitei de proporționalitate este depășit, atunci relația dintre deformații și tensiuni devine neliniară. Pentru unele medii, legea lui Hooke nu poate fi aplicată nici măcar cu deformații mici.

Forțe gravitaționale (forțe gravitaționale).

În cadrul de referință asociat Pământului, orice corp cu masa m este afectat de o forță: , numită forță gravitațională - forța cu care corpul este atras de Pământ. Sub influența forței de atracție către Pământ, toate corpurile cad cu aceeași accelerație, numită accelerație de cădere liberă.

greutate corporala- numită forța cu care corpul, datorită gravitației către Pământ, acționează asupra suportului sau trage firul de suspensie.

Gravitația acționează întotdeauna, iar greutatea apare doar atunci când alte forțe acționează asupra corpului în afară de gravitație. Forța gravitației este egală cu greutatea corpului numai atunci când accelerația corpului față de Pământ este zero. În caz contrar, unde este accelerația corpului cu sprijin față de Pământ. Dacă corpul se mișcă liber în câmpul de forță gravitațională, atunci greutatea este zero, adică. corpul va fi lipsit de greutate.

Imponderabilitate este starea unui corp în care se mișcă numai sub influența gravitației.

forte elastice apar ca urmare a interacțiunii corpurilor, însoțită de deformarea lor.

Forța elastică este proporțională cu deplasarea particulei din poziția de echilibru și este îndreptată către poziția de echilibru:

unde este vectorul rază care caracterizează deplasarea particulei din poziția de echilibru, este elasticitatea. Un exemplu de astfel de forță este forța elastică de deformare a unui arc sub tensiune sau compresiune.

forța de frecare de alunecare apare atunci când un anumit corp alunecă pe suprafața altuia:

unde k este coeficientul de frecare de alunecare, în funcție de natura și starea suprafețelor de contact; N este forța presiunii normale care presează suprafețele de frecare una pe cealaltă.

Forța de frecare este direcționată tangențial la suprafețele de frecare în direcția opusă mișcării unui corp dat față de altul.

§ 13. Energie. Muncă și putere

Energie este o măsură universală a diferitelor forme de mișcare și interacțiune. Diverse forme de energie sunt asociate cu diverse forme de mișcare a materiei: mecanică, termică, electromagnetică, nucleară etc.

Modificarea mișcării mecanice și a energiei corpului are loc în procesul de interacțiune a forței a acestui corp cu alte corpuri. Pentru a caracteriza cantitativ acest proces în mecanică, se introduce conceptul de muncă efectuată de o forță.

Figura 13.1

Dacă forța luată în considerare este constantă, iar corpul căruia i se aplică se mișcă translațional și rectiliniu, atunci munca efectuată de forță atunci când corpul trece pe cale se numește mărime

Unde A - unghiul dintre forța și direcția de mișcare a corpului.

Figura 13.2

Loc de munca- valoare scalară. Dacă vectorul forță și vectorul deplasare formează un unghi ascuțit, i.e. , atunci, dacă, atunci, i.e. o forță care acționează perpendicular pe deplasarea corpului nu lucrează.

În cazul general, corpul se poate mișca într-un mod arbitrar, destul de complex (Fig. 13.2). Selectați o secțiune elementară a căii dS, asupra căruia forța poate fi considerată constantă, iar deplasarea este rectilinie. Lucrarea elementară din această secțiune este egală cu

Munca totală efectuată pe traseu este determinată de integrală

Unitatea de lucru este joule ( J) - munca efectuata de forta 1N pe traseul 1m: 1J-1Ns.

Figura 13.3

Forța care acționează asupra unui punct material se numește conservatoare sau potențială dacă munca efectuată de această forță la mutarea acestui punct dintr-o poziție arbitrară 1 în alta 2 nu depinde de traiectoria care a avut loc această mișcare:

Inversarea direcției de mișcare a unui punct de-a lungul traiectoriei determină o modificare a semnului forței conservatoare, deoarece mărimea își schimbă semnul. Prin urmare, atunci când deplasați un punct material de-a lungul unei traiectorii închise, de exemplu 1- A-2- b-1 , munca efectuată de forța conservativă este zero.

Un exemplu de forțe conservatoare sunt forțele de gravitație universală, forțele de elasticitate, forțele de interacțiune electrostatică a corpurilor încărcate. Un câmp al cărui lucru al forțelor în deplasarea unui punct material de-a lungul unei traiectorii închise arbitrare este egal cu zero se numește potențial.

Pentru a caracteriza rata de lucru, introduceți conceptul putere. Puterea este egală cu produsul scalar dintre vectorul forță și vectorul viteză cu care se mișcă punctul de aplicare al acestei forțe.

Unitatea de putere este watt (W): 1 W este puterea la care se lucrează 1 J în 1 s: \u003d 1W \u003d 1J / s.

Există o mare varietate de concepte de „putere”. Este folosit în diverse domenii ale științei și vieții. Cea mai extinsă definiție este dată în fizică.

Definiția 1

În fizică, forța este o măsură a interacțiunii diferitelor corpuri.

Toate corpurile din lumea înconjurătoare se influențează reciproc. O astfel de interacțiune este generată de anumite forțe. Aceste procese energetice sunt direct legate de:

cu o schimbare a vitezei;
cu deformarea corpului.

Formula forței formează un anumit model matematic, conform căruia are loc istoria studiului dependenței forței de principalii parametri. Rezultatul cercetării ar trebui să fie o dovadă experimentală a existenței unei astfel de dependențe.

Forța are propria unitate de măsură în sistemul SI. Pentru a determina acest indicator, se utilizează echipament științific special. Cel mai simplu instrument pentru măsurarea forței este un dinamometru.

Acest dispozitiv compară forța care acționează asupra corpului cu forța elastică a arcului stabilită în forcemetru.

Forța este o mărime vectorială și este definită de:

punct de aplicare;
direcția de acțiune;
valoare absolută.

Definiția 2

O forță de 1 newton (N) este forța sub care un corp de 1 kilogram își schimbă propria viteză cu 1 metru într-o secundă.

Când descrieți o forță, parametrii acesteia trebuie indicați fără greșeală.

forta de presiune

Există mai multe tipuri de interacțiuni care au o origine naturală:

interacțiune gravitațională;
interacțiuni electromagnetice;
interacțiuni slabe și puternice.

Ele înconjoară orice corp care are masă. Gravitația este forța gravitației, inclusiv varietățile ei. În prezent, interacțiunea câmpurilor gravitaționale din Univers este studiată activ, iar cercetările nu pot oferi încă răspunsuri precise la multe întrebări, inclusiv la cele referitoare la natura apariției și existenței unor astfel de forțe. Sursa câmpului global nu a fost încă găsită, dar se știe că o parte semnificativă a forțelor gravitaționale ia naștere din cauza interacțiunii electromagnetice la nivel atomic. După cum știți, toate substanțele sunt formate din atomi și molecule. Acest fapt a devenit baza tuturor cercetare contemporană in aceasta zona.

Forțele gravitaționale în interacțiunea corpurilor cu suprafața Pământului exercită presiune. Forța de presiune este determinată de masa corpului (m) și poate fi văzută în formula $P=mg$, unde g este accelerația de cădere liberă. Această valoare are indicatori diferiți la diferite latitudini ale planetei.

Forța de presiune verticală este egală în valoare absolută, dar opusă față de direcția forței elastice. În acest caz, formula forței se va modifica în funcție de mișcarea corpului.

Greutatea unui corp este de obicei reprezentată ca acțiunea unui corp asupra unui suport după interacțiunea cu Pământul. Cantitatea de greutate corporală depinde de accelerația mișcării care are loc în direcția verticală. O creștere a greutății se observă atunci când direcția de accelerație se schimbă. Acesta trebuie să acționeze în direcția opusă accelerației în cădere liberă. Scăderea în greutate se observă atunci când corpul accelerează. Trebuie să coincidă cu direcția de cădere liberă.

Forță elastică

Când forma corpului este deformată, apare o altă forță. Are scopul de a readuce corpul la starea inițială. Forța elastică poate apărea din interacțiunea electrică a particulelor. Deformațiile sunt de două tipuri principale: compresiune și tensiune. Când este întins, dimensiunile liniare ale corpului cresc. Compresia se caracterizează prin procesul invers, în timpul căruia se observă o scădere a dimensiunilor liniare ale corpului.

Formula pentru forța elastică este următoarea:

Se utilizează numai în procesele de deformare elastică.

Interacțiunea unui câmp magnetic cu curentul

Legea lui Ampère descrie influența camp magnetic pe un conductor cu curent, care este plasat în el.

Manifestările puterii sunt cauzate de interacțiunea dintre un câmp magnetic și o sarcină electrică în mișcare.

Forța Amperi este determinată de formula:

$I$ - puterea curentului în conductor,
$l$ este lungimea părții active a conductorului,
$В$ – inducție magnetică.

Această dependență sugerează că vectorul câmpului magnetic se modifică atunci când conductorul este rotit, precum și când se schimbă direcția curentului.

forța Lorentz

În studiu particule elementare sunt utilizate în mod activ datele spectrografelor, unde nivelul de interacțiune al câmpului magnetic cu sarcina este fix. Într-un astfel de proces, apare o altă forță, pe care Lorentz a caracterizat-o folosind ecuația sa. Apare atunci când o particulă încărcată care se mișcă cu o anumită viteză intră într-un câmp magnetic.

Forța Lorentz este definită de formula sub forma:

$F = vBqsinα$, unde:

$v$ este modulul vitezei particulei,
$Â$ este inducția magnetică a câmpului,
$q$ - incarcare electrica particula studiată.

Această forță face ca particula încărcată să se miște într-un cerc.

Interacțiunea dintre câmp magnetic și materie este folosită în ciclotroni, unde încearcă să dea naștere procesului unei reacții termonucleare, dar până acum nu există mod eficient crearea unei noi surse de energie.

Forța actuală și munca de forță

Definiția 3

Puterea curentului este principala mărime care caracterizează fluxul de curent într-un conductor.

Formula $I = q/t$, unde $q$ este sarcina, $t$ este timpul de curgere, include sarcina care curge pe unitatea de timp prin secțiunea transversală a conductorului.

Lucrul unei forțe se numește o astfel de mărime fizică, care din punct de vedere al compoziției numerice este egală cu produsul dintre forță și deplasare. Ea trebuie realizată prin acțiune. Acțiunea forței asupra unei substanțe este însoțită de efectuarea muncii.

Forța de lucru este exprimată prin următoarea formulă $A = FScosα$, care include mărimea forței. Însăși acțiunea corpului are loc atunci când viteza corpului se modifică, precum și o posibilă deformare. Aceasta înseamnă că există schimbări simultane de energie. Munca efectuată de o forță este direct legată de mărimea acesteia.