Розділ 3. Взаємодія тіл. Сила

В оточуючому світі ви спостерігаєте, як одні тіла впливають на інші. Тенісний м’яч змінює напрям польоту при ударі по ньому ракеткою, щоб рухатися, лижник відштовхується палицями, амортизатори автомобіля стискаються, коли до салону сідають пасажири. Можна бачити, як одні тіла впливають на інші й за відсутності безпосереднього контакту, наприклад, падіння будь-якого тіла на поверхню Землі, притягання або відштовхування намагнічених тіл. Саме взаємний вплив одних тіл на інші зумовлює розмаїття фізичних явищ в природі.

§ 17. Взаємодія тіл. Сила

Взаємодія тіл
Види взаємодій. Сила
Сили в механіці

Взаємодія тіл. У фізиці взаємний вплив одних тіл на інші, внаслідок чого відбуваються певні зміни, називають взаємодією. Звичними для вас є взаємодії, під час яких рух тіл змінюється внаслідок їх зіткнення. Футбольний м’яч рухається внаслідок удару по ньому ногою, двері відчиняються від взаємодії з рукою, катаючись на роликах, ви відштовхуєтесь від асфальтової поверхні, до якої дотикаються ковзани. Таким чином, взаємодія відбувається, коли стикаються два рухомі тіла або рухоме тіло з нерухомим.

Разом з тим, у природі є багато прикладів взаємодій, під час яких тіла не дотикаються одне до одного. Подібним чином взаємодіють магніт і рухома металева кулька, що відхиляється від прямолінійної траєкторії внаслідок магнітної дії, наелектризовані султани, планети з Сонцем.

Рис. 3.1. Приклади взаємодій між тілами

Види взаємодій. Сила. Розмаїття фізичних явищ, пов’язаних із взаємодією тіл, викликає закономірне питання про те, скільки ж взаємодій різної фізичної природи та сил, що їм відповідають, існує?

Хоча у природі й техніці є велика кількість прикладів взаємодій, не всі вони є фундаментальними, тобто такими, які не можна звести до найпростіших. Сучасна фізична наука розрізняє чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційну, електромагнітну, ядерну (сильну) та слабку. Загальною характеристикою взаємодії тіл є фізична величина, яка називається силою.

Фундаментальним взаємодіям відповідають фундаментальні сили, які визначають взаємодії як планет та цілих галактик, так і молекул, атомів та елементарних частинок. Фундаментальні сили відрізняються як за абсолютними значеннями, так і за іншими властивостями, наприклад, залежністю від відстані між тілами.

Гравітаційні сили особливі тим, що є завжди силами притягання та залежать від маси взаємодіючих тіл. Чим більша маса, тим сильніша гравітаційна взаємодія. Ці сили визначають взаємодію зір, планет та їх супутників, а також тіл на поверхні планет. Між тілами невеликих мас теж виникають гравітаційні взаємодії, але вони незначні і тому ними нехтують.

Електромагнітні взаємодії і сили, що їм відповідають, виникають між зарядженими частинками й тілами. Ці сили надзвичайно потужні й мають широку дію: від атомних ядер, атомів та молекул, до різноманітних тіл і живих організмів.

Специфічною особливістю ядерних сил та слабких взаємодій є їх обмежена в просторі дія. Так, ядерні сили виявляються в середині атомних ядер між їх складовими на відстанях, що не перевищують 10^-15 м, що менше за розміри атома. Слабкі взаємодії характерні для елементарних частинок і визначають їх взаємоперетворення.

Найслабкішою взаємодією, серед відкритих на сьогодні, є гравітаційна. Ядерна взаємодія на відстані своєї дії в багато разів перевищує силу гравітаційної взаємодії і є найсильнішою. Проте гравітаційні сили, так само, як і електромагнітні, мають безмежну дію, що й робить їх визначальними в космічному просторі.

Не всі процеси у Всесвіті вдалося пояснити відомими взаємодіями, і тому тривають пошуки нових типів взаємодій.

Сили в механіці. Історично поняття сили виникло з відчуття людиною м’язового зусилля. Для того, щоби підняти вантаж, необхідне певне напруження м’язів. Ступінь цього напруження різний для різних випадків і оцінюється поняттям «сила». Згодом людина навчилася замінювати власні зусилля зусиллями тварин (наприклад, використання кінного транспорту) або природних явищ (водяний та повітряний млин, вітро- та гідроелектростанції). В усіх випадках мова йде про дію одного тіла на інше: кінь діє на воза, вода та вітер на лопаті. Щоб зрушити з місця будь-яке тіло (змінити його швидкість), кажуть, що до нього потрібно прикласти деяку силу або подіяти з деякою силою.

Сила - фізична величина, яка є мірою механічної взаємодії між тілами.

Так, щоби стиснути повітряну кульку, на неї потрібно подіяти з деякою силою.

Рис. 3.2. Щоби стиснути кульку, до неї потрібно прикласти силу

Силу позначають великою латинською літерою F. Одиницею сили в системі СІ є ньютон (Н). Свою назву одиниця сили отримала на честь видатного англійського вченого-фізика І. Ньютона.

[F] = Н.

В класичній механіці (механіці Ньютона) визначення фізичної природи сил не є головним завданням. Важливе значення для вирішення практичних задач мають умови виникнення сил, їх абсолютні значення та напрям, залежність від відстаней між тілами, що взаємодіють, швидкості руху тіл. Тому в межах класичної механіки силами у традиційному розумінні є прояви саме гравітаційної та електромагнітної взаємодії. Інші фундаментальні взаємодії (ядерні та слабкі) виявляються на відстанях, для яких не можна встановити точні кількісні характеристики і, відповідно, застосувати закони класичної механіки (закони Ньютона).

Для пояснення механічних явищ і процесів важливе значення мають саме сили пружності, тертя та гравітації. Сили пружності й тертя не є фундаментальними, оскільки їх зводять до фундаментальної електромагнітної взаємодії.

Головне у цьому параграфі

Сучасна фізична наука розрізняє чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційну, електромагнітну, ядерну (сильну) та слабку. Загальною характеристикою взаємодії тіл є фізична величина, яка називається сила.

Сила - фізична величина, яка є мірою механічної взаємодії між тілами. Силу позначають великою латинською літерою F. Одиницею сили в СІ є ньютон (Н).

Для пояснення механічних явищ і процесів важливе значення мають саме сили всесвітнього тяжіння, пружності й тертя.

Запитання для самоперевірки

1. Що називають взаємодією?
2. Які типи взаємодій існують у природі?
3. Яка одиниця сили в СІ?
4. Визначте, яка з двох сил: 3,5 кН чи 700 Н більша і у скільки разів?
5. Яка сила спричиняє падіння на Землю крапель дощу? Які фізичні тіла взаємодіють у цьому випадку?
6. Чи можуть два фізичних тіла взаємодіяти, якщо вони не доторкаються безпосередньо одне до одного? Наведіть приклади.

Зміст