Фундаментальные и нефундаментальные взаимодействия

Естествоиспытатели и философы прошлого и настоящего времени пытались объяснить многообразие явлений природы с единых позиций. Так и в физике учёные стремились свести реальные силы к конечному числу фундаментальных взаимодействий. В настоящее время фундаментальными называют четыре типа взаимодействий, к которым сводятся все остальные.

1.
Сильное или ядерное взаимодействие U = De^-ar/r. Здесь a=1/r_o

r_o ~10^-14 м – характерное расстояние, на котором проявляется действие ядерных сил. Взаимодействие короткодействующее (на малых расстояниях), носит характер притяжения.

2.
Электромагнитное взаимодействие U_кул = q₁q₂/r – дальнодействующее, носит характер притяжения в случае разноимённых зарядов. Отношение интенсивностей электромагнитного и ядерного взаимодействий I_эм/I_яд = 10^-2.

3.
Слабое взаимодействие – короткодействующее I_сл/I_яд = 10^-14.

4.
Гравитационное взаимодействие – дальнодействующее

I_грав/I_яд = 10^-39 . U_грав =Gm₁m₂/r – взаимодействие носит характер притяжения.

Реальные силы. Силы упругости и силы трения

Силы упругости.

Силы упругости возникают как реакция на деформирование твердого тела. Определим некоторые понятия.

Деформация ( e )– относительное смещение точек тела.

Упругое напряжение ( s ) – давление, возникающее в твердом теле при его деформировании s = F/S. Здесь S – площадка, на которую действует сила упругости F. Связь между напряжением и деформацией следующая:

s I – область

соответствует упругим

деформациям. Здесь

справедлив закон Гука:

s=Ee, где Е - модуль

I II III упругости.

II – область неупругих

• 
  деформаций.

III – область разрушения материала.

Для тел стержнеобразной формы (стержни, балки, трубы)

e = DL/L – относительное удлинение, Е – модуль Юнга. Сдвиговые напряжения s_^ связаны со сдвиговыми деформациями e_^= DD/D (D – диаметр стержня) через модуль сдвига G: s_^ = Ge_^. Гидродинамическое давление Р связано с относительным изменением объема через модуль всестороннего сжатия К:

Р = КDV/V. Для изотропных тел независимыми модулями упругости будут только два. Остальные могут быть пересчитаны по известным формулам, например: Е = 2G(1 + m). Здесь m - коэффициент Пуассона.

Природа сил упругости связана с фундаментальными электромагнитными взаимодействиями.

Силы трения

Силы, возникающие между поверхностями соприкасающихся тел, и препятствующие их относительному перемещению, называются силами трения. Параллельным переносом силу трения рисуют из точки центра тяжести тела. Она направлена против скорости относительного перемещения тел.

Внешним или сухим трением называется трение, возникающее между твердыми телами. В свою очередь оно подразделяется на трение покоя и кинематическое трение (скольжения и качения). Сила трения покоя равна максимальной силе, которую следует приложить к твердому телу, чтобы только началось его перемещение. F_тр = kN

Здесь N – сила нормального давления.

к Зависимость коэффициента

трения от скорости переме-

щения тел показана на

рисунке. При малых

скоростях перемещения

V коэффициент трения сколь-

жения и качения меньше коэффициента трения покоя.

Трение покоя связано с упругим деформированием взаимодействующих тел. Трение скольжения и качения связаны с неупругим деформированием поверхностей тел и даже их частичным разрушением. Поэтому кинематическое

трение сопровождается акустической эмиссией – шумом.

Трение качения связано с неупругим

деформированием тел. Тогда

возникает горизонтальная составляющая

силы реакции на деформирование N₂

п оверхности под передней частью колеса – N₁

это и есть сила трения качения.

N₂ > N₁ .

Способы уменьшения коэффициента трения:

1.
Замена трения скольжения трением качения.

2.
Замена сухого трения – вязким.

3.
Повышение качества обработки поверхностей трущихся деталей.

4.
Замена трения покоя – трением скольжения и трением качения путем применения звуковых и ультразвуковых вибраций.

5.
Использование полимернаполненных композиций на основе фторопласта.

6. Гравитационное взаимодействие − самое слабое из четырёх фундаментальных взаимодействий. Согласно закону всемирного тяготения Ньютона сила гравитационного взаимодействия F_g двух точечных масс m₁ и m₂ равна

7.

8. G = 6.67·10^-11 м³· кг^–1·см^–2 − гравитационная постоянная, r − расстояние между взаимодействующими массами m₁ и m₂. Отношение силы гравитационного взаимодействия между двумя протонами к силе кулоновского электростатического взаимодействия между ними равно 10^-36.
Величина G^1/2·m называется гравитационным зарядом. Гравитационный заряд пропорционален массе тела. Поэтому для нерелятивистского случая согласно закону Ньютона ускорение, вызываемое силой гравитационного взаимодействия F_g, не зависит от массы ускоряемого тела. Это утверждение составляет принцип эквивалентности.
Фундаментальное свойство гравитационного поля состоит в том, что оно определяет геометрию пространства-времени, в котором движется материя. По современным представлениям взаимодействие между частицами происхо­дит путём обмена между ними частицами – переносчиками взаимодействия. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон − частица со спином J = 2. Экспериментально гравитон не обнаружен. Квантовая теория гравитации пока не создана.

Все наши ежедневные действия сводятся к тому, что мы с помощью мышц либо приводим в движение окружа­ющие тела и поддерживаем это движение, либо же оста­навливаем движущиеся тела.

Этими телами являются орудия труда (молоток, ручка, пила), в играх — мячи, шайбы, шахматные фигуры. На производстве и в сельском хозяйстве люди также приво­дят в движение орудия труда. Правда, в настоящее время роль рабочего все больше и больше сводится к управлению механизмами. Но в любой машине можно обнаружить по­добие простых орудий ручного труда. В швейной машинке имеется игла, резец токарного станка подобен рубанку, ковш экскаватора заменяет лопату.

Двигатели.Применение машин во много раз увеличи­вает производительность труда благодаря использованию в них двигателей.

Назначение любого двигателя в том, чтобы приводить тела в движение и поддерживать это движение, несмотря на торможение как обычным трением, так и «рабочим» со­противлением (резец должен не просто скользить по ме­таллу, а, врезаясь в него, снимать стружку; плуг должен взрыхлять землю и т. д.). При этом на движущееся тело должна действовать со стороны двигателя сила, точка при­ложения которой перемещается вместе с телом.

Бытовое представление о работе.Когда человек (или какой-либо двигатель) действует с определенной силой на движущееся тело, то мы говорим, что он совершает работу. Это бытовое представление о работе легло в основу форми­рования одного из важнейших понятий механики — поня­тия работы силы.

Работа совершается в природе всегда, когда на какое-либо тело в направлении его движения или против него действует сила (или несколько сил) со стороны другого тела (других тел). Так, сила тяготения совершает работу при падении капель дождя или камня с обрыва. Одновре­менно совершают работу и силы трения, действующие на падающие капли или на камень со стороны воздуха. Со­вершает работу и сила упругости, когда распрямляется со­гнутое ветром дерево.

Определение работы. Второй закон Ньютона в форме позволяет определить, как меняется скорость тела по модулю и направлению, если на него в течение времени ∆tдействует сила .

Во многих случаях важно уметь вычислять изменение скорости по модулю, если при перемещении тела на на него действует сила .Воздействия на тела сил, приводя­щих к изменению модуля их скорости, характеризуются величиной, зависящей как от сил, так и от перемещений тел. Эту величину в механике и называют работой силы.

В общем случае при движении твердого тела перемеще­ния его разных точек различны, но при определении работы силы мы под понимаем перемещение ее точки при­ложения. При поступательном движении твердого тела перемещение всех его точек совпадает с перемещением точки приложения силы.

Сила, перпендикулярная скорости (а следовательно, и перемещению ), изменяет скорость только по направ­лению, но не по модулю. (При равномерном движении по окружности ускорение тела, а следовательно, и действующая на него силаперпендикулярны скорости.)

Изменение скорости по модулю возможно лишь в том случае, когда проекция силы на направление перемещения тела F_r отлична от нуля. Именно эта проекция определяет действие силы, изме­няющей скорость тела по модулю. Она совершает работу. Поэтому работу можно рассматривать как произведение проекции F_r на модуль перемещения (рис. 1):

A = F_r .(1)

Если угол между силой и перемещением обозначить через α, тоF_r = F·cos α. Следовательно, работа равна:

А = F cos α. (2)