Slovo „síla“je tak všezahrnující, že dát mu jasný koncept je téměř nemožný úkol. Rozmanitost od svalové síly po sílu mysli nepokrývá celou škálu pojmů, které jsou do ní vloženy. Síla, považovaná za fyzikální veličinu, má přesně definovaný význam a definici. Silový vzorec definuje matematický model: závislost síly na hlavních parametrech.
Historie výzkumu síly zahrnuje definici závislosti na parametrech a experimentální důkaz závislosti.
Síla ve fyzice
Síla je mírou interakce těles. Vzájemné působení těles na sebe plně popisuje procesy spojené se změnou rychlosti nebo deformací těles.
Jako fyzikální veličina má síla měrnou jednotku (v soustavě SI - Newton) a zařízení pro její měření - dynamometr. Princip činnosti siloměru je založen na porovnání síly působící na těleso se silou pružiny dynamometru.
Síla 1 newtonu se považuje za sílu, při které těleso o hmotnosti 1 kg změní svou rychlost o 1 m za 1 sekundu.
Síla jako vektorová veličina je definována:
- směr působení;
- aplikační bod;
- modul, absolutnívelikost.
Při popisu interakce nezapomeňte uvést tyto parametry.
Typy přirozených interakcí: gravitační, elektromagnetické, silné, slabé. Gravitační síly (síla univerzální gravitace s její rozmanitostí - gravitační síla) existují v důsledku vlivu gravitačních polí obklopujících jakékoli těleso, které má hmotnost. Studium gravitačních polí nebylo dosud ukončeno. Zatím není možné najít zdroj pole.
Větší rozsah sil vzniká z elektromagnetické interakce atomů, které tvoří hmotu.
Tlaková síla
Když těleso interaguje se Zemí, vyvíjí tlak na povrch. Tlaková síla, jejíž vzorec je: P=mg, je určena tělesnou hmotností (m). Gravitační zrychlení (g) má různé hodnoty v různých zeměpisných šířkách Země.
Síla vertikálního tlaku je rovna absolutní hodnotě a opačného směru než síla pružnosti vznikající v podpěře. Silový vzorec se mění v závislosti na pohybu těla.
Změna tělesné hmotnosti
Působení těla na podpěru v důsledku interakce se Zemí se často označuje jako hmotnost těla. Zajímavé je, že velikost tělesné hmotnosti závisí na zrychlení pohybu ve vertikálním směru. V případě, kdy je směr zrychlení opačný než zrychlení volného pádu, je pozorováno zvýšení hmotnosti. Pokud se zrychlení těla shoduje se směrem volného pádu, pak hmotnost těla klesá. Například ve stoupajícím výtahu na začátku stoupání člověk na chvíli pociťuje nárůst hmotnosti. Tvrdit, že jeho hmotnostzměny, to ne. Zároveň oddělujeme pojmy „tělesná hmotnost“a její „hmotnost“.
Elastická síla
Při změně tvaru tělesa (jeho deformace) se objeví síla, která má tendenci vrátit těleso do původního tvaru. Tato síla dostala název „elastická síla“. Vzniká díky elektrické interakci částic, které tvoří tělo.
Uvažujme nejjednodušší deformaci: tah a tlak. Napětí je doprovázeno zvětšením lineárních rozměrů těles, zatímco stlačení je doprovázeno jejich zmenšením. Hodnota charakterizující tyto procesy se nazývá tělesná elongace. Označme to „x“. Vzorec elastické síly přímo souvisí s prodloužením. Každé deformované těleso má své vlastní geometrické a fyzikální parametry. Závislost elastického odporu proti deformaci na vlastnostech tělesa a materiálu, ze kterého je vyrobeno, je určena koeficientem pružnosti, říkejme mu tuhost (k).
Matematický model pružné interakce popisuje Hookeův zákon.
Síla vznikající při deformaci tělesa směřuje proti směru posunu jednotlivých částí tělesa, je přímo úměrná jeho prodloužení:
- Fy=-kx (vektorový zápis).
Znak "-" označuje opačný směr deformace a síly.
Ve skalární formě není žádné záporné znaménko. Pružná síla, jejíž vzorec má následující tvar Fy=kx, se používá pouze pro pružné deformace.
Interakce magnetického pole s proudem
Vlivmagnetické pole na stejnosměrný proud popisuje Ampérův zákon. V tomto případě síla, kterou magnetické pole působí na vodič s proudem, který je v něm umístěn, se nazývá ampérová síla.
Interakce magnetického pole s pohybujícím se elektrickým nábojem způsobuje silový projev. Ampérová síla, jejíž vzorec je F=IBlsinα, závisí na magnetické indukci pole (B), délce aktivní části vodiče (l), síle proudu (I) ve vodiči a úhlu. mezi směrem proudu a magnetickou indukcí.
Vzhledem k poslední závislosti lze tvrdit, že vektor magnetického pole se může měnit při otáčení vodiče nebo při změně směru proudu. Pravidlo levé ruky umožňuje nastavit směr působení. Pokud je levá ruka umístěna tak, že vektor magnetické indukce vstupuje do dlaně, čtyři prsty jsou nasměrovány podél proudu ve vodiči, pak palec ohnutý o 90° ukáže směr proudu. magnetické pole.
Využití tohoto efektu lidstvem bylo nalezeno například u elektromotorů. Otáčení rotoru je způsobeno magnetickým polem vytvářeným silným elektromagnetem. Vzorec síly umožňuje posoudit možnost změny výkonu motoru. Se zvýšením proudu nebo intenzity pole se zvyšuje točivý moment, což má za následek zvýšení výkonu motoru.
Trajektorie částic
Interakce magnetického pole s nábojem je široce používána v hmotnostních spektrografech při studiu elementárních částic.
Působení pole v tomto případě způsobí vznik vyvolané sílyLorentzova síla. Když nabitá částice pohybující se určitou rychlostí vstoupí do magnetického pole, Lorentzova síla, jejíž vzorec má tvar F=vBqsinα, způsobí, že se částice pohybuje po kruhu.
V tomto matematickém modelu v je modul rychlosti částice, jejíž elektrický náboj je q, B je magnetická indukce pole, α je úhel mezi směry rychlosti a magnetickou indukcí.
Částice se pohybuje v kruhu (nebo oblouku kruhu), protože síla a rychlost jsou nasměrovány navzájem pod úhlem 90°. Změna směru lineární rychlosti způsobí zrychlení.
Pravidlo levé ruky, diskutované výše, se také uplatňuje při studiu Lorentzovy síly: pokud je levá ruka umístěna tak, že vektor magnetické indukce vstupuje do dlaně, čtyři prsty natažené v řadě směřují podél rychlost kladně nabité částice, pak palec ohnutý o 90° ukazuje směr síly.
Problémy s plazmou
V cyklotronech se využívá interakce magnetického pole a hmoty. Problémy spojené s laboratorním studiem plazmy neumožňují její uchovávání v uzavřených nádobách. Vysoce ionizovaný plyn může existovat pouze při vysokých teplotách. Plazma může být udržována na jednom místě v prostoru pomocí magnetických polí, kroucení plynu ve formě prstence. Řízené termonukleární reakce lze také studovat zvlákňováním vysokoteplotního plazmatu do vlákna pomocí magnetických polí.
Příklad působení magnetického polein vivo na ionizovaném plynu - Aurora Borealis. Tato majestátní podívaná je pozorována za polárním kruhem ve výšce 100 km nad zemským povrchem. Tajemnou barevnou záři plynu bylo možné vysvětlit až ve 20. století. Zemské magnetické pole v blízkosti pólů nemůže zabránit slunečnímu větru v pronikání do atmosféry. Nejaktivnější záření směrované podél čar magnetické indukce způsobuje ionizaci atmosféry.
Jevy spojené s pohybem náboje
Historicky se hlavní veličina, která charakterizuje tok proudu ve vodiči, nazývá síla proudu. Je zajímavé, že tento koncept nemá ve fyzice nic společného se silou. Síla proudu, jejíž vzorec zahrnuje náboj protékající za jednotku času průřezem vodiče, je:
I=q/t, kde t je doba průtoku nabíjení q
Síla proudu je ve skutečnosti množství nabití. Jeho jednotka měření je ampér (A), na rozdíl od N.
Určení práce síly
Silové působení na látku je doprovázeno výkonem práce. Práce síly je fyzikální veličina, která se číselně rovná součinu síly a posunutí, které prošlo jejím působením, a kosinusu úhlu mezi směry síly a posunutí.
Požadovaná práce síly, jejíž vzorec je A=FScosα, zahrnuje velikost síly.
Působení tělesa je doprovázeno změnou rychlosti tělesa nebo deformací, což ukazuje na současné změny energie. Práce vykonaná silou závisí nahodnoty.
