ФУНДАМЕНТАЛЬНІ СИЛИ

ФУНДАМЕНТАЛЬНІ СИЛИ, чотири основні сили, які відомі сучасній фізиці Найбільш відома і найслабша – це гравітація. Сила гравітації між Землею та предметом пояснює поняття ВАГА предмета. Набагато сильніша ЕЛЕКТРОМАГНІТНА СИЛА, що діє між електричними зарядженими частинками. Завдяки їй притягуються один до одного атоми і зв'язуючи їх один з одним хімічно. Дві інші відомі сили діють лише на субатомному рівні: СЛАБЕ ЯДЕРНЕ ВЗАЄМОДІЯ, пов'язане з розпадом частинок, середнє за рівнем між гравітаційною та електромагнітною силами; СИЛЬНА ЯДЕРНА ВЗАЄМОДІЯ, яка асоціюється з «клеєм», що зв'язує ядра разом, - це найпотужніша сила, відома в природі.

.

Дивитися що таке "ФУНДАМЕНТАЛЬНІ СИЛИ" в інших словниках:

СИЛИ РУХІ, див. ФУНДАМЕНТАЛЬНІ СИЛИ … Науково-технічний енциклопедичний словник

- … Вікіпедія

Центральна сила сила, лінія дії якої за будь-якому положенні тіла, якого вона прикладена, проходить через точку, звану центром сили (точка на Рис.1). Тіло при цьому, як правило, сприймається як матеріальна точка, а центр також ... Вікіпедія

Класична механіка Другий закон Ньютона Історія… Фундаментальні поняття… Вікіпедія

У фізиці консервативні сили (потенційні сили) сили, робота яких залежить від форми траєкторії (залежить тільки від початкової та кінцевої точки докладання сил). Звідси випливає визначення: консервативні сили такі сили, робота яких по…

У фізиці консервативні сили (потенційні сили) сили, робота яких залежить від форми траєкторії (залежить тільки від початкової та кінцевої точки докладання сил). Звідси випливає таке визначення: консервативні сили такі сили, робота по…

Вид збройних сил, головний компонент морської могутності держави, що характеризує можливості контролю океанських (морських) комунікацій. Сучасні ВМС мають у своєму складі не тільки кораблі, авіацію та ракети, але також берегові служби, … Енциклопедія Кольєра

Сучасна енциклопедія

Ядерні сили- ЯДЕРНІ СИЛИ, сили, що утримують нуклони (протони та нейтрони) в ядрі. Ядерні сили діють лише з відстанях трохи більше 10 13 див, у 100 1000 разів перевищують силу взаємодії електричних зарядів і залежать від заряду нуклонів. Ядерні сили... Ілюстрований енциклопедичний словник

Книжки

• Сили природи, . Книга розповідає про фізичні сили, що визначають поведінку різних тіл. Представлені ситуації, з якими людина стикається щодня, а також розглянуті складніші питання, які...
• Усього шість чисел. Головні сили, що формують Всесвіт, Мартін Рис. У книзі всесвітньо відомого астрофізика, члена Королівського астрономічного товариства сера Мартіна Ріса описуються фундаментальні сили, що керують нашим Всесвітом. Автор стверджує, що...

Які сили природи називають фундаментальними? Якому принципі будуються фундаментальні взаємодії? Чи можливе існування нової фундаментальної взаємодії? На ці та інші питання відповідає доктор фізико-математичних наук Дмитро Казаков.

Зі шкільної фізики ми стикаємося з поняттям «сила». Сили бувають різні: є сила тяжіння, сила тертя, сила кочення, сила пружності. Існує безліч різних сил. Не всі з цих сил є фундаментальними – дуже часто сила є вторинним явищем. Наприклад, сила тертя є вторинним явищем – насправді це взаємодія молекул. І навіть взаємодія молекул може бути вторинною. Наприклад, у молекулярній фізиці є сили Ван-дер-Ваальса. Ці сили є вторинним наслідком електромагнітних взаємодій.

Хочеться докопатися до фундаментальної сили: що ж є фундаментальними силами в природі, які визначають усі, з яких будуються всі вторинні сили? Електромагнітні сили, або електричні сили є фундаментальними взаємодіями, як ми їх розуміємо зараз. Закон Кулона, відомий ще зі шкільної фізики, - це фундаментальний закон, але має своє узагальнення, він випливає з рівнянь Максвелла. Рівняння Максвелла описують взагалі всі електричні та магнітні сили у природі, тому електромагнітні взаємодії є фундаментальними силами природи.

Інший приклад фундаментальних сил природи – це тяжіння. Зі школи відомий закон всесвітнього тяжіння Ньютона, який тепер уже отримав узагальнення в рівняннях Ейнштейна – зараз у нас є теорія тяжіння Ейнштейна. Сила тяжіння - це також фундаментальні взаємодії у природі. І колись здавалося, що існують лише ці дві фундаментальні сили. Але згодом зрозуміли, що це не так. Зокрема, коли було відкрито атомне ядро ​​і виникла проблема зрозуміти, чому частинки утримуються всередині ядра і не розлітаються, було введено поняття ядерних сил. Ці ядерні сили були виміряні, зрозумілі, описані. Але згодом виявилося, що вони також нефундаментальні - ядерні сили в певному сенсі нагадують сили Ван-дер-Ваальса.

Істинно фундаментальними силами, що забезпечують сильну взаємодію, є сили між кварками. взаємодіють один з одним, і як вторинний ефект між собою взаємодіють протони і нейтрони в ядрі. Фундаментальною взаємодією є взаємодія кварків за допомогою обміну глюонами – це третя фундаментальна сила у природі.

Але тут історія не закінчується. Виявляється, що розпади елементарних частинок - проте важкі частки розпадаються більш легені - описуються новим взаємодією, яке одержало назву слабкого взаємодії. Слабкого - тому що сила цієї взаємодії помітно слабша, ніж електромагнітні сили. Але виявилося, що теорія слабкої взаємодії, яка спочатку існувала і дуже добре описувала всі розпади, погано працювала при підвищенні енергії, і вона була замінена на нову теорію слабкої взаємодії, яка виявилася абсолютно універсальною і побудованою на тому самому принципі, на якому побудовані всі інші взаємодії.

У сучасному світі є чотири фундаментальні взаємодії, про п'яте я ще теж скажу.

Чотири фундаментальні взаємодії - електромагнітна, сильна, слабка і гравітаційна - будуються на одному принципі.

Цей принцип у тому, що сила між частинками виникає з допомогою обміну деяким посередником, переносником взаємодії.

Електромагнітне взаємодія будується з урахуванням обміну квантом світла чи квантом електромагнітних хвиль - це фотон. Фотон - це безмасова частка, нею обмінюються заряджені частинки, і з цього обміну виникають взаємодії між частинками, сила між частинками, закон Кулону теж описується.

Інша взаємодія – сильна. Там також є посередник, частка, якою обмінюються кварки. Ці частинки називаються глюонами, їх вісім штук, це також безмасові частки.

Третя частка, третя взаємодія – це слабка взаємодія, і тут також посередником виступають частки, які називаються проміжними векторними бозонами. Ці частинки, - їхні штуки, - масивні, тобто досить тяжкі. Цією масою, тяжкістю цих частинок і пояснюється, чому слабка взаємодія така слабка.

Четверте взаємодія - гравітаційне, і його здійснюється шляхом обміну квантом гравітаційного поля, його називають . Гравітон поки що експериментально не виявлений, ми поки що не цілком відчуваємо і не вміємо описувати.

Усі взаємодії – це акт обміну деякими частинками. Тут ми повертаємось до . Будь-яка взаємодія пов'язана із симетрією. Симетрія говорить про те, скільки таких частинок і яка у них є маса. Якщо симетрія точна – маса нульова. У фотона маса 0, глюона маса 0. Якщо симетрія порушена - маса ненульова. У проміжних векторних бозонів маса ненульова, там симетрія порушена. Гравітаційна симетрія не порушена – у гравітону теж маса 0.

Ці чотири фундаментальні взаємодії пояснюють усе, що ми бачимо. Всі інші сили – це вторинний ефект цих взаємодій. Але в 2012 році було виявлено нову частинку, яка стала дуже знаменитою, - це так званий . Хіггсовський бозон теж є переносником взаємодії між кварками та між лептонами. Тому зараз доречно говорити, що з'явилася п'ята сила, переносником якої є хіггсовський бозон. Тут теж симетрія порушена – хіггсовський бозон є масивною частинкою. Тим самим було число фундаментальних взаємодій - у фізиці часток зазвичай використовується слово не «сила», а «взаємодія» - досягло п'яти.

Чи є нові взаємодії? Насправді, ми цього не знаємо. У фізики елементарних частинок інших взаємодій немає, є лише п'ять. Але не виключено, що та модель, яка зараз розглядається і чудово описує всі експериментальні дані і всі явища, які ми спостерігаємо у світі, можливо, все-таки неповна, і тоді, можливо, з'являться якісь нові сили і нові взаємодії. Наприклад, якщо існують так звані, тобто якщо існує нова симетрія в природі, то ця нова симетрія спричинить появу нових частинок, які є посередниками між іншими частинками, тим самим виникне нова фундаментальна сила. Тому ця можливість досі лишається.

Цікаво, що будь-яка нова взаємодія завжди призводить до якогось нового явища. Скажімо, якби не було слабкої взаємодії, не було б розпаду. Не було б розпаду – ми б не спостерігали ядерних реакцій. Не було б ядерних реакцій – не світило б Сонце. Чи не світило б Сонце - на Землі не могло б існувати життя. Отже, наявність такої взаємодії виявилася життєво важливою для нас.

Якби не було сильної взаємодії, не було б стабільних атомних ядер. Не було б ядер – не було б атомів. Не було б атомів – не було б нас. Тобто виявилося, що всі сили начебто потрібні. Ось електромагнітна взаємодія: ми отримуємо енергію від Сонця – це промені світла, які прилітають до нас від Сонця. Якби не було його, Земля була б холодною. Виходить, всі ті взаємодії, які ми знаємо, для чогось потрібні. Хіггсівська взаємодія з хіггсівським бозоном. Фундаментальні частки одержують масу за рахунок взаємодії з полем Хіггса – без цього теж жити не можна. Про гравітаційну взаємодію я не говорю – ми б відлетіли з поверхні планети.

Всі взаємодії, які є в природі, які зараз відкриті, є життєво важливими, щоб все, що ми розуміємо і знаємо, існувало.

А що було б, якби була якась нова взаємодія, яка ще не відкрита? Ось ще один приклад: протон у ядрі стабільний, і дуже важливо, що він стабільний, інакше знову ж таки не було б життя. Але експериментально час життя протона зараз обмежений – 1034 років. Це означає, що немає жодної заборони, щоб протон розпадався, але для цього потрібна нова сила та нова взаємодія. Є теорії, які пророкують розпад протона, - у них є більш висока група симетрії, і в них є нові взаємодії, яких ми не знаємо. Чи це так - це питання до експерименту.

Всі фундаментальні взаємодії зараз будуються за єдиним принципом, і в цьому є єдність природи. Іноді виникає питання: чи не можна пояснити якимось чином, скільки взаємодій є в природі, тобто зрозуміти причину, чому їх чотири або чому їх п'ять, а може, ще є більше? Існують різні версії того, як можна було б пояснити наявність певної кількості фундаментальних взаємодій. Такі теорії часто називають теоріями Великого об'єднання. Ці теорії поєднують між собою різні види взаємодій в одне. Це нагадує дерево, що росте: є єдиний стовбур, потім він гілкується, і виходять різні гілки.

Ідея полягає приблизно в цьому ж: є єдиний корінь всіх взаємодій, єдиний стовбур, а потім у результаті порушення симетрії цей стовбур починає розгалужуватися, і утворюється кілька фундаментальних взаємодій, які ми експериментально спостерігаємо. Перевірка цієї гіпотези вимагає фізики за дуже високих енергій, які недоступні сучасному експерименту і, ймовірно, ніколи не будуть доступні. Але можна обійти цю проблему. Зрештою, у нас є природний прискорювач – це Всесвіт. Деякі процеси, які у Всесвіті, дозволяють нам перевірити сміливі гіпотези у тому, що є єдиний корінь всіх взаємодій.

Інша дуже цікава задача у розумінні взаємодій у природі - зрозуміти, як гравітація співвідноситься з усіма іншими взаємодіями. Гравітація коштує трохи окремо, хоча принцип побудови теорії дуже схожий. Свого часу Ейнштейн намагався побудувати єдину теорію гравітації та електромагнетизму. Тоді це здавалося дуже реальним, але теорія так і не вийшла. Нині ми трохи більше знаємо. Ми знаємо, що є ще сильна взаємодія, слабка взаємодія, тому, якщо зараз будувати єдину теорію, здавалося б, треба включити всі ці взаємодії разом, але такої єдиної теорії досі не створено, і досі нам не вдається поєднати гравітацію з іншими взаємодіями. Усі взаємодії, крім гравітації, підпорядковуються законам квантової фізики – це квантова теорія. Усі частинки – це кванти певного поля. Квантової гравітації поки що не існує, поки її створити не вдається. У чому причина, що ми робимо не так, чого ми не розуміємо – все це поки що залишається загадкою. Але кількість фундаментальних взаємодій, яка вже відкрита, говорить про те, що певно якась єдина схема існує.

У природі існує чотири типи сил: гравітаційні, електромагнітні, ядерні та слабкі.

Гравітаційні сили, або сили тяжіння,діють між усіма тілами. Але ці сили помітні, якщо хоча б одне з тіл має розміри, які можна порівняти з розмірами планет. Сили тяжіння між звичайними тілами настільки малі, що їх можна знехтувати. Тому гравітаційними можна вважати сили взаємодії між планетами, а також між планетами та Сонцем чи іншими тілами, що мають дуже велику масу. Це може бути зірки, супутники планет тощо.

Електромагнітні сили діють між тілами, які мають електричний заряд.

Ядерні сили(сильні) є найпотужнішими у природі. Вони діють усередині ядер атомів з відривами 10 -13 див.

Слабкі сили, Як і ядерні, діють на малих відстанях близько 10 -15 см. В результаті їх дії відбуваються всередині ядра.

Механіка розглядає гравітаційні сили, сили пружності та сили тертя.

Гравітаційні сили

Гравітація описується законом всесвітнього тяжіння. Цей закон буввикладений Ньютоном у середині XVII в. у роботі «Математичні засади натуральної філософії».

Гравітацієюназивають силу тяжіння, з якою будь-які матеріальні частинки притягуються одна в одній.

Сила, з якої матеріальні частинки притягуються одна до одної, прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними .

G – гравітаційна постійна, чисельно рівна модулю сили тяжіння, з якої тіло, що має одиничну масу, діє на тіло, що має таку саму одиничну масу і що знаходиться на одиничній відстані від нього.

G = 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , або Н·м²·кг −2 .

На поверхні Землі сила гравітації (сила тяжіння) проявляється у вигляді сили тяжіння.

Ми бачимо, що будь-який предмет, кинутий у горизонтальному напрямку, все одно знижується. Падає вниз також будь-який предмет, підкинутий вгору. Відбувається це під дією сили тяжіння, яка діє на будь-яке матеріальне тіло, що знаходиться поблизу Землі. Сила тяжіння діє на тіла та на поверхні інших астрономічних тіл. Ця сила завжди спрямована вертикально донизу.

Під дією сили тяжіння тіло рухається до поверхні планети із прискоренням, яке називається прискоренням вільного падіння.

Прискорення вільного падіння на поверхні Землі позначається буквою g .

F t = mg ,

отже,

g = F t / m

g = 9, 81 м/с 2 на полюсах Землі, а на екваторі g = 9,78 м/с2.

При вирішенні простих фізичних задач величину g прийнято вважати рівною 9,8 м/с 2 .

Класична теорія тяжіння застосовна лише тіл, мають швидкість набагато нижче швидкості світла.

Сили пружності

Силами пружності називаються сили, що виникають у тілі внаслідок деформації, що викликає зміну його форми чи обсягу. Ці сили завжди прагнуть повернути тіло до його первісного становища.

При деформації відбувається усунення частинок тіла. Сила пружності спрямована у бік, протилежний напрямку усунення частинок. Якщо деформація припиняється, то сила пружності зникає.

Англійський фізик Роберт Гук, сучасник Ньютона, відкрив закон, що встановлює зв'язок між силою пружності та деформацією тіла.

При деформації тіла виникає сила пружності, прямо пропорційна подовженню тіла, що має напрямок, протилежний переміщенню частинок при деформації.

F = k ∆ l ,

де до - Жорсткість тіла, або коефіцієнт пружності;

∆ l - Величина деформації, що показує величину подовження тіла під впливом сил пружності.

Закон Гука діє для пружних деформацій, коли подовження тіла мало, а тіло відновлює свої початкові розміри після того, як зникають сили, що спричинили цю деформацію.

Якщо деформація велика, і тіло не повертається у вихідну форму, закон Гука не застосовується. ПриВ дуже великих деформаціях відбувається руйнування тіла.

Сили тертя

Сила тертя виникає, коли одне тіло рухається поверхнею іншого. Вона має електромагнітну природу. Це наслідок взаємодії між атомами та молекулами дотичних тіл. Напрямок сили тертя протилежний напрямку руху.

Розрізняють сухеі рідкетертя. Сухим називають тертя, якщо між тілами немає рідкого або газоподібного прошарку.

Відмінна риса сухого тертя – тертя спокою, що виникає за відносного спокою тіл.

Величина сили тертя спокоюзавжди дорівнює величині зовнішньої сили та спрямована у протилежний бік. Сила тертя спокою перешкоджає руху тіла.

У свою чергу, сухе тертя поділяється на тертя. ковзаннята тертя кочення.

Якщо величина зовнішньої сили перевищує величину сили тертя, то в цьому випадку з'явиться прослизання, і одне з тіл, що контактують, почне поступово переміщатися щодо іншого тіла. А сила тертя називатиметься силою тертя ковзання. Її напрямок буде протилежним напряму ковзання.

Сила тертя ковзання залежить від сили, з якою тіла тиснуть одне на одного, від стану поверхонь, що труться, від швидкості руху, але не залежить від площі дотику.

Сила тертя ковзання одного тіла по поверхні іншого обчислюється за такою формулою:

F тр. = k · N ,

де k – коефіцієнт тертя ковзання;

N - Сила нормальної реакції, що діє на тіло з боку поверхні.

Сила тертя кочення виникає між тілом, яке перекочується поверхнею, і самою поверхнею. Такі сили з'являються, наприклад, у разі дотику шин автомобіля з дорожнім покриттям.

Величина сили тертя кочення обчислюється за формулою

де F t - Сила тертя кочення;

f - Коефіцієнт тертя кочення;

R – радіус тіла, що котиться;

N - Притискаюча сила.

У природі існує багато різних видів сил: тяжіння, тяжкості, Лоренца, Ампера, взаємодії нерухомих зарядів і т.д., але вони в кінцевому рахунку зводяться до невеликого числа фундаментальних (основних) взаємодій. Сучасна фізика вважає, що існує в природі лише чотири види сил або чотири види взаємодій:

1) гравітаційна взаємодія (здійснюється через гравітаційні поля);

2) електромагнітна взаємодія (здійснюється через електромагнітні поля);

3) ядерне (або сильне) (забезпечує зв'язок частинок в ядрі);

4) слабке (відповідає процеси розпаду елементарних частинок).

В рамках класичної механіки мають справу з гравітаційними та електромагнітними силами, а також з пружними силами та силами тертя.

Гравітаційні сили(сили тяжіння) – це сили тяжіння, які підпорядковуються закону всесвітнього тяжіння. Будь-які два тіла притягуються один до одного з силою, модуль якої прямо пропорційний добутку їх мас і обернено пропорційний квадрату відстані між ними:

де = 6,67 × 10 -11 Н × м 2 / кг 2 - гравітаційна постійна.

Сила тяжіння- Сила, з якою тіло притягується Землею. Під дією сили тяжіння до Землі всі тіла падають з однаковим щодо Землі прискоренням , званим прискоренням вільного падіння. За другим законом Ньютона, про всяк тіло діє сила , звана силою тяжкості. Вона додана до центру тяжкості.

Вага–змула, з якої тіло, притягуючись до Землі, діє на підвіс чи опору . На відміну від сили тяжіння, що є гравітаційною силою, що додається до тіла, вага – це пружна сила, що додається до опори або підвісу. Сила тяжкості дорівнює вазі лише у тому випадку, коли опора чи підвіс нерухомі щодо Землі. По модулю вага може бути як більшою, так і меншою за силу тяжкості . У разі прискореного руху опори (наприклад, ліфта, що везе вантаж) рівняння руху (з огляду на те, що сила реакції опори дорівнює за величиною вагою, але має протилежний знак): Þ . Якщо рух відбувається вгору, вниз: .

При вільному падінні тіла його вага дорівнює нулю, тобто. воно перебуває в стані невагомості.

Сили пружностівиникають у результаті взаємодії тіл, що супроводжується їхньою деформацією. Пружна (квазіпружна) сила пропорційна зсуву частки з положення рівноваги і спрямована до положення рівноваги:

Сили тертявиникають завдяки існуванню сил взаємодії між молекулами і атомами тіл, що стикаються. Сили терню: а) виникають при зіткненні двох тіл, що рухаються; б) діють паралельно дотику поверхні; г) спрямовані проти руху тіла.

Тертя між поверхнями твердих тіл за відсутності будь-якого прошарку або мастила називається сухим. Тертя між твердим тілом і рідким або газоподібним середовищем, а також між шарами такого середовища називається в'язкимабо рідким.Розрізняють три види сухого тертя: тертя спокою, тертя ковзання та тертя кочення.

Сила тертя спокою– це сила, що діє між дотичними тілами, які перебувають у стані спокою. Вона дорівнює за величиною і протилежно спрямована силі, що спонукає тіло до руху: ; , де m - Коефіцієнт тертя.

Сила тертя ковзання виникає при ковзанні одного тіла по поверхні іншого: і спрямована по дотичній до поверхонь, що труться, у бік, протилежну руху даного тіла щодо іншого. Коефіцієнт тертя ковзання залежить від матеріалу тіл, стану поверхонь та від відносної швидкості руху тіл.

При коченні тіла по поверхні іншого виникає сила тертя коченняяка перешкоджає коченню тіла. Сила тертя кочення при тих же матеріалах дотичних тіл завжди менше сили тертя ковзання. Цим користуються практично, замінюючи підшипники ковзання кульковими чи роликовими підшипниками.

Пружні сили та сили тертя визначаються характером взаємодії між молекулами речовини, що має електромагнітне походження, отже вони за своєю природою мають електромагнітні походження. Гравітаційні та електромагнітні сили є фундаментальними – їх не можна звести до інших, простіших сил. Пружні сили та сили тертя не є фундаментальними. Фундаментальні взаємодії відрізняються простотою та точністю законів.