Какие есть силы в физике

Виды сил в физике

Бывают различные типы сил, включая гравитационные, электромагнитные, ядерные и трения. Законы, разработанные Исааком Ньютоном в семнадцатом веке, обеспечивают основу для понимания того, как силы влияют на движение предметов. Эти законы включают первый закон Ньютона (инерции), второй закон (ускорения) и третий (действия и реакции).

Есть множество различных видов сил:

1. Гравитационная сила: Притяжение между двумя объектами, обусловленная их массой. Она отвечает за удержание планет на орбите вокруг Солнца и за массу предметов на нашей планете. Ее величина определяется их массой и расстоянием между ними. Играет ключевую роль во многих астрономических явлениях, включая движение планет, формирование галактик и поведение черных дыр. Она также имеет важное практическое применение, например, при расчете орбит спутников и определении веса объектов на различных планетах или лунах.
2. Электромагнитная сила: Между заряженными частицами, включая электроны и протоны. Она отвечает за многие повседневные явления, такие как электричество и магнетизм. Переносится частицами, называемыми фотонами, которые безмассовы и движутся со скоростью света. Она может быть притягательной или отталкивающей, в зависимости от зарядов участвующих частиц. Помимо того, что она отвечает за электрические и магнитные поля, имеет множество практических применений, включая работу электродвигателей, передачу радио- и телевизионных сигналов и производство электроэнергии.
3. Сильное ядерное взаимодействие: Удерживает ядро атома вместе. Сильнейшая из всех сил, но имеет очень ограниченный диапазон, действуя лишь в ядре атома. Это сила, действующая между частицами, называемыми кварками, которые являются строительными блоками протонов и нейтронов. Также действует между протонами и нейтронами.
   Опосредуется частицами, называемыми глюонами, которые обмениваются между кварками и другими глюонами. В отличие от других фундаментальных сил, сила ядерной силы не уменьшается с расстоянием, а увеличивается по мере уменьшения расстояния между частицами.
4. Слабое ядерное взаимодействие: Сила, ответственная за радиоактивный распад и некоторые другие ядерные процессы. Она отвечает за некоторые виды радиоактивного распада, например, бета-распад, и участвует во взаимодействии между элементарными частицами.
   Опосредуется частицами, называемыми W- и Z-бозонами.
5. Сила трения: Противодействует движению между двумя соприкасающимися поверхностями. Она может быть как полезной (например, при торможении или сцеплении), так и вредной (например, при износе). Возникает из-за микроскопических неровностей и дефектов на поверхностях, которые создают точки соприкосновения, сопротивляющиеся относительному движению.
6. Сила натяжения: Сила, которая передается через струну, веревку или проволоку, когда она натянута. Это тянущая сила, направленная вдоль длины объекта и вызванная взаимодействием между молекулами объекта.
   Величина силы натяжения зависит от силы, тянущей объект, длины и диаметра объекта, а также от свойств материала объекта. Она всегда направлена в сторону от объекта и равна по величине на обоих концах объекта.
   Сила натяжения часто используется в технике и физике, например, в мостах, тросах и шкивах. Используется для передачи усилия от одного конца объекта к другому, что позволяет эффективно передавать энергию и движение.
7. Сила пружины: Действует на растянутую или сжатую пружину, которая пытается вернуть ее в исходное состояние. Пружины упруги, способны накапливать и высвобождать энергию при деформации, а сила пружины возникает в результате этой деформации.
8. Сила нормальной реакции: Поверхность оказывает на предмет, находящийся в контакте с ней. Она действует перпендикулярно поверхности. Является важным понятием в физике и используется во многих инженерных приложениях, например, при проектировании зданий, мостов и других сооружений. Она также важна в механике и используется при анализе систем с трением и наклонных плоскостей.
9. Плавучесть: Восходящая, действует со стороны жидкости (например, воды) на объект, который частично или полностью погружен в воду. Она отвечает за способность объектов плавать. Она является результатом разницы в давлении между верхней и нижней частями объекта из-за веса жидкости над ним. Ее величина равна весу жидкости, вытесненной объектом, и пропорциональна объему предмета, погруженного в жидкость. Эту зависимость еще называют принципом Архимеда.

Как найти

Чтобы найти силу, необходимо знать массу объекта и ускорение, которое он испытывает. Ее можно рассчитать с помощью 2-го закона Ньютона. Сила (F), действующая на объект, равна его массе (m), умноженной на ускорение (a), или F = m × a.

Итак, чтобы найти силу, необходимо:

1. Определить массу объекта в килограммах.
2. Измерить или вычислить ускорение объекта в метрах в секунду в квадрате \((м/с^2)\) .
3. Умножить массу объекта на его ускорение, чтобы получить действующую на него силу.

В чем измеряется и как обозначается

Измерение: в Ньютонах (Н). 1 Н определяется как сила, необходимая для ускорения массы в один килограмм со скоростью один метр в секунду в квадрате.

В уравнениях обычно обозначается буквой F и выражается в единицах Ньютонов (Н). Другие единицы силы включают фунты (lb) и дины (dyn), но они не часто используются в научных расчетах.

Формулы

1. 2-й закон Ньютона можно представить следующим образом: a = F/m. Или: F = m × a. Эта формула связывает силу, массу и ускорение.
2. Вес: w = m × g. Эта формула связывает вес объекта (w) с его массой (m) и ускорением под действием силы тяжести (g). Вес объекта — это сила, с которой он притягивается к центру Земли.
3. Сила трения: Ff = μ × N. Эта формула связывает силу трения (Ff) между двумя поверхностями с коэффициентом трения (μ) и нормальной силой (N), оказываемой одной поверхностью на другую.
4. Закон Гука: F = -k × x. Эта формула связывает силу (F), действующую на пружину, со смещением (x) ее конца от положения равновесия. Постоянная k известна как постоянная пружины и является мерой жесткости пружины.
5. Работа: W = F × d × cos(θ). Эта формула определяет работу (W), совершаемую над объектом силой (F), действующей на него через перемещение (d) под углом θ к направлению силы. Работа - это мера энергии, переданной объекту или от него.

Примеры решения задач

Решение: По формуле Ff = μ × N, где N — нормальная сила, действующая на ящик со стороны поверхности. Поскольку ящик лежит на горизонтальной поверхности, нормальная сила равна его весу (w = m × g), который составляет 10 кг × 9,81 \(м/с^2\) = 98,1 Н. Поэтому трение равна Ff = 0,3 × 98,1 Н = 29,43 Н. Сила, действующая на ящик, равна Fnet = F - Ff = 50 Н - 29,43 Н = 20,57 Н. По F = m × a, ускорение ящика можно найти как a = Fnet / m = 20,57 Н / 10 кг = 2,057 \(м/с^2\).

Решение: Силу натяжения в тросе можно найти по формуле Fnet = T - w, где T — натяжение в тросе, а w — вес лифта (\(w = m × g = 500 кг × 9,81 м/с^2 = 4905 Н\)). Поскольку лифт ускоряется вверх, чистая сила, действующая на него, равна Fnet = m × a = 500 кг × \(2 м/с^2\) = 1000 Н. Подставив эти значения в формулу, получим: 1000 Н = Т - 4905 Н. Решив для Т, получим: T = 5905 Н.

Решение: Согласно закону Гука (F = -k × x), сила, действующая на блок со стороны пружины, пропорциональна смещению (x) пружины от положения равновесия, причем отрицательный знак означает, что сила действует в направлении, противоположном смещению. Подставляя данные значения, получаем: F = -100 Н/м × 0,1 м = -10 Н. Следовательно, сила, действующая на блок со стороны пружины, равна 10 Н.

Решение: Силу трения можно рассчитать по формуле Ffriction = μFnormal, где μ — коэффициент трения, а Fnormal — нормальная сила. Поскольку коробка стоит на горизонтальной поверхности, нормальная сила равна весу коробки, который составляет 50 кг x 9,8 \(м/с^2\) = 490 Н. Поэтому Ffriction = 0,5 x 490 Н = 245 Н. Сила в горизонтальном направлении равна 100 Н x cos(30) = 86.6 Н. Чистая сила в горизонтальном направлении равна 86,6 Н - 245 Н = -158,4 Н. Поскольку ускорение = чистая сила / масса, ускорение коробки равно (-158,4 Н) / 50 кг = -3,17\(м/с^2\) .

Решение: Потенциальная энергия, запасенная в пружине, может быть рассчитана по формуле PE = \((1/2)kx^2\), где k — постоянная пружины, а x — смещение от равновесия. Таким образом, потенциальная энергия, запасенная в пружине при ее оттягивании вниз на 5 см, равна \(PE = (1/2)(100 Н/м)(0,05 м)^2 = 0,125 Дж\). Эта потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, когда объект освобождается, и максимальная скорость, которую он достигнет, может быть рассчитана по формуле \(KE = (1/2)mv^2\), где m — масса объекта, а v — его скорость. Таким образом, \(v = √(2KE/m) = √(2(0,125 Дж)/2 кг) = 0,5 м/с.\)

Решение: Ускорение автомобиля можно рассчитать по формуле ускорение = чистая сила / масса = (-5000 Н) / 1000 кг = \(-5 м/с^2\). Расстояние, которое пройдет автомобиль до остановки, можно рассчитать по формуле \(d = (v^2) / (2a)\), где d — расстояние, v — начальная скорость, a — ускорение. Таким образом, \(d = (20 м/с)^2 / (2(-5 м/с^2)) = 40 м.\)