Думата "сила" е толкова всеобхватна, че да се даде ясна концепция е почти невъзможна задача. Разнообразието от мускулна сила до сила на ума не покрива пълния набор от понятия, вложени в него. Силата, разглеждана като физическа величина, има добре дефинирано значение и дефиниция. Формулата за сила дефинира математически модел: зависимостта на силата от основните параметри.
Историята на изследването на силата включва дефиницията на зависимостта от параметрите и експериментално доказателство за зависимостта.
Сила във физиката
Силата е мярка за взаимодействието на телата. Взаимното действие на телата едно върху друго описва напълно процесите, свързани с промяна в скоростта или деформация на телата.
Като физическа величина силата има мерна единица (в системата SI - Нютон) и устройство за нейното измерване - динамометър. Принципът на действие на силомера се основава на сравняване на силата, действаща върху тялото, със силата на пружинната сила на динамометъра.
За сила от 1 нютон се приема силата, при която тяло с маса 1 kg променя скоростта си с 1 m за 1 секунда.
Сила като векторно количество е дефинирана:
- посока на действие;
- точка на приложение;
- модул, абсолютенразмер.
Описвайки взаимодействието, не забравяйте да посочите тези параметри.
Видове естествени взаимодействия: гравитационно, електромагнитно, силно, слабо. Гравитационните сили (силата на универсалната гравитация с нейното разнообразие - силата на гравитацията) съществуват поради влиянието на гравитационните полета, обграждащи всяко тяло, което има маса. Изследването на гравитационните полета не е приключило досега. Все още не е възможно да се намери източникът на полето.
По-голям диапазон от сили възниква от електромагнитното взаимодействие на атомите, които съставляват материята.
Сила на натиск
Когато едно тяло взаимодейства със Земята, то упражнява натиск върху повърхността. Силата на натиск, чиято формула е: P=mg, се определя от телесната маса (m). Гравитационното ускорение (g) има различни стойности на различни географски ширини на Земята.
Силата на вертикалния натиск е равна по абсолютна стойност и противоположна по посока на силата на еластичност, възникваща в опората. Формулата на силата се променя в зависимост от движението на тялото.
Промяна в телесното тегло
Действието на тялото върху опора поради взаимодействие със Земята често се нарича тегло на тялото. Интересното е, че размерът на телесното тегло зависи от ускорението на движението във вертикална посока. В случай, че посоката на ускорение е противоположна на ускорението на свободното падане, се наблюдава увеличаване на теглото. Ако ускорението на тялото съвпада с посоката на свободно падане, тогава теглото на тялото намалява. Например, докато е във възходящ асансьор, в началото на изкачването човек усеща за известно време увеличаване на теглото. Твърди, че неговата масапроменя, не става. В същото време разделяме понятията "телесно тегло" и неговата "маса".
Еластична сила
При промяна на формата на тяло (нейната деформация) се появява сила, която има тенденция да върне тялото в първоначалната му форма. Тази сила е получила името "еластична сила". Възниква поради електрическото взаимодействие на частиците, които изграждат тялото.
Нека разгледаме най-простата деформация: напрежение и компресия. Напрежението е придружено от увеличаване на линейните размери на телата, докато компресията е придружена от тяхното намаляване. Стойността, характеризираща тези процеси, се нарича удължаване на тялото. Нека го обозначим с "x". Формулата за еластична сила е пряко свързана с удължението. Всяко тяло, подложено на деформация, има свои геометрични и физически параметри. Зависимостта на еластичното съпротивление на деформация от свойствата на тялото и материала, от който е направено, се определя от коефициента на еластичност, да го наречем твърдост (k).
Математическият модел на еластичното взаимодействие се описва от закона на Хук.
Силата, произтичаща от деформацията на тялото, е насочена срещу посоката на изместване на отделните части на тялото, е право пропорционална на неговото удължение:
- Fy=-kx (векторна нотация).
Знакът "-" показва обратната посока на деформация и сила.
Няма отрицателен знак в скаларна форма. Еластична сила, чиято формула има следната форма Fy=kx, се използва само за еластични деформации.
Взаимодействие на магнитно поле с ток
Влияниемагнитното поле към постоянен ток се описва от закона на Ампер. В този случай силата, с която магнитното поле действа върху проводник с ток, поставен в него, се нарича сила на Ампер.
Взаимодействието на магнитно поле с движещ се електрически заряд предизвиква проявление на сила. Силата на Ампер, чиято формула е F=IBlsinα, зависи от магнитната индукция на полето (B), дължината на активната част на проводника (l), силата на тока (I) в проводника и ъгъла между посоката на тока и магнитната индукция.
Поради последната зависимост може да се твърди, че векторът на магнитното поле може да се промени при завъртане на проводника или промяна на посоката на тока. Правилото за лявата ръка ви позволява да зададете посоката на действие. Ако лявата ръка е разположена така, че векторът на магнитната индукция влиза в дланта, четири пръста са насочени по протежение на тока в проводника, тогава палецът, огънат с 90°, ще покаже посоката на магнитно поле.
Използването на този ефект от човечеството е открито, например, в електрическите двигатели. Въртенето на ротора се причинява от магнитно поле, създадено от мощен електромагнит. Формулата на силата ви позволява да прецените възможността за промяна на мощността на двигателя. С увеличаване на тока или силата на полето, въртящият момент се увеличава, което води до увеличаване на мощността на двигателя.
Траектории на частици
Взаимодействието на магнитно поле със заряд се използва широко в масспектрографите при изследване на елементарни частици.
Действието на полето в този случай предизвиква появата на сила, нареченаСила на Лоренц. Когато заредена частица, движеща се с определена скорост, навлезе в магнитно поле, силата на Лоренц, чиято формула има формата F=vBqsinα, кара частицата да се движи в кръг.
В този математически модел v е модулът на скоростта на частица, чийто електрически заряд е q, B е магнитната индукция на полето, α е ъгълът между посоките на скоростта и магнитната индукция..
Частицата се движи в кръг (или дъга на окръжност), тъй като силата и скоростта са насочени под ъгъл от 90° една спрямо друга. Промяната на посоката на линейната скорост причинява появата на ускорение.
Правилото на лявата ръка, обсъдено по-горе, се прилага и при изучаване на силата на Лоренц: ако лявата ръка е разположена така, че векторът на магнитната индукция влиза в дланта, четири пръста, изпънати в една линия, се насочват по протежение на скорост на положително заредена частица, след което палецът, огънат 90° показва посоката на силата.
Проблеми с плазмата
Взаимодействието на магнитното поле и материята се използва в циклотроните. Проблемите, свързани с лабораторното изследване на плазмата, не позволяват тя да се съхранява в затворени съдове. Силно йонизиран газ може да съществува само при високи температури. Плазмата може да се задържи на едно място в пространството с помощта на магнитни полета, усукващи газа под формата на пръстен. Контролираните термоядрени реакции могат също да бъдат изследвани чрез въртене на високотемпературна плазма в нишка с помощта на магнитни полета.
Пример за действието на магнитно полеin vivo върху йонизиран газ - Aurora Borealis. Това величествено зрелище се наблюдава отвъд полярния кръг на надморска височина от 100 км над земната повърхност. Мистериозното цветно сияние на газа може да бъде обяснено само през 20-ти век. Земното магнитно поле близо до полюсите не може да попречи на слънчевия вятър да проникне в атмосферата. Най-активната радиация, насочена по линиите на магнитната индукция, причинява йонизация на атмосферата.
Явления, свързани с движението на заряда
В исторически план основната величина, която характеризира протичането на тока в проводник, се нарича сила на тока. Интересното е, че тази концепция няма нищо общо със силата във физиката. Силата на тока, чиято формула включва заряда, протичащ за единица време през напречното сечение на проводника, е:
I=q/t, където t е времето на потока на зареждане q
Всъщност силата на тока е количеството на заряда. Неговата мерна единица е ампер (A), за разлика от N.
Определяне на работата на сила
Принудителното действие върху вещество се придружава от извършване на работа. Работата на силата е физическа величина, числено равна на произведението на силата и преместването, преминато под нейното действие, и косинуса на ъгъла между посоките на силата и преместването.
Желаната работа на силата, чиято формула е A=FScosα, включва големината на силата.
Действието на тялото е придружено от промяна в скоростта на тялото или деформация, което показва едновременни промени в енергията. Работата, извършена от сила, зависи отстойности.
