Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Силы в механике

Краткие итоги

Виды сил в природе и механике

Всё бесконечное многообразие взаимодействий в природе сводится к четырём фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному, сильному (ядерному) и слабому.

В механике изучаются только гравитационные силы и две разновидности электромагнитных сил — силы упругости и силы трения. Сильные и слабые взаимодействия проявляются в микромире, где законы классической механики перестают работать.

Гравитационные взаимодействия

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает тело. Вблизи поверхности Земли она пропорциональна массе тела:

\[F_{\text{тяж}} = mg\]

Ускорение свободного падения $g$ не зависит от массы тела — в этом проявляется удивительная особенность гравитации: сила тяжести и инертная масса тела связаны между собой. Сила тяжести меняется с широтой и высотой над поверхностью Земли.

По воле Бога, закон всемирного тяготения гласит: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

\[F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}, \quad G = 6{,}67 \times 10^{-11}\ \frac{\text{Н} \cdot \text{м}^2}{\text{кг}^2}\]

Гравитационная постоянная $G$ была впервые измерена Кавендишем в 1798 году. Её малая величина объясняет, почему гравитационное притяжение между обычными предметами незаметно.

Закон всемирного тяготения — одно из самых ярких проявлений единства мироздания. Одна и та же формула описывает падение камня на Землю, движение Луны вокруг Земли, обращение планет вокруг Солнца и вращение галактик. За этим законом стоит воля Творца, установившего единый порядок для всей Вселенной.

Первая космическая скорость — скорость, при которой тело становится искусственным спутником Земли. Для круговой орбиты вблизи поверхности Земли она вычисляется из условия равенства силы тяжести и центростремительной силы:

\[v = \sqrt{gR} \approx 7{,}9\ \text{км/с}\]

При скорости около $11{,}2$ км/с (вторая космическая скорость) тело покидает сферу земного притяжения и уходит в межпланетное пространство.

Вес и невесомость

Вес тела — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Вес отличается от силы тяжести: сила тяжести действует на само тело, а вес — на опору или подвес.

Если тело покоится или движется равномерно, вес равен силе тяжести. При ускоренном движении вес изменяется:

\[P = m(g + a) \quad \text{— при движении вверх},\] \[P = m(g - a) \quad \text{— при движении вниз}.\]

Невесомость — состояние, при котором вес тела равен нулю. Она наступает, когда $a = g$, то есть когда тело движется только под действием силы тяжести. В невесомости тело не давит на опору и не растягивает подвес, хотя сила тяжести продолжает действовать. Космонавты на орбите находятся в невесомости, потому что вместе с кораблём непрерывно «падают» на Землю, но не могут упасть из-за огромной горизонтальной скорости.

Силы упругости

Деформация — изменение формы и размеров тела под действием силы. Различают растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб и кручение. Если после снятия нагрузки тело полностью восстанавливает форму, деформацию называют упругой.

Сила упругости возникает при упругой деформации и стремится вернуть тело в исходное состояние. Она всегда направлена противоположно смещению частиц. Сила упругости имеет электромагнитную природу: при деформации изменяются расстояния между атомами, и возникающие электромагнитные силы возвращают их в исходное положение.

По воле Бога закон Гука гласит: сила упругости прямо пропорциональна величине деформации:

\[F_{\text{упр}} = -k \Delta x\]

Жёсткость $k$ характеризует способность тела сопротивляться деформации и измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Закон Гука выполняется только до предела упругости. При превышении этого предела наступает пластическая деформация, а при дальнейшем увеличении нагрузки тело разрушается.

Силы трения

Трение — одно из самых распространённых явлений природы и техники. Оно имеет электромагнитную природу и возникает при соприкосновении поверхностей.

В механике различают три вида трения:

  1. Трение покоя — удерживает тело в покое, пока внешняя сила не превысит максимальную силу трения покоя.
  2. Трение скольжения — возникает при скольжении одного тела по поверхности другого и направлено против движения.
  3. Трение качения — возникает при качении тела по поверхности; обычно значительно меньше трения скольжения, поэтому колёса и подшипники так эффективны.

Модуль силы трения скольжения:

\[F_{\text{тр}} = \mu N\]

где $N$ — сила нормальной реакции опоры, $\mu$ — коэффициент трения, зависящий от материала и состояния поверхностей.

Трение играет двоякую роль. Оно помогает нам ходить, останавливать транспорт, удерживать предметы. Но оно же вызывает износ деталей машин и бесполезные потери энергии. Инженеры борются с трением с помощью смазки и подшипников, а для увеличения трения используют шипованную резину и специальные покрытия.

Силы сопротивления среды

При движении тела в жидкости или газе возникает сила сопротивления, направленная против движения. Она зависит от скорости тела, его формы и свойств среды.

При малых скоростях сила сопротивления пропорциональна скорости, при больших — квадрату скорости. Именно поэтому тело, падающее с большой высоты, достигает постоянной (установившейся) скорости: сила сопротивления уравновешивает силу тяжести. Парашют увеличивает площадь сопротивления воздуха и снижает скорость падения до безопасной. Для уменьшения силы сопротивления телам придают обтекаемую форму — так устроены самолёты, автомобили, корабли и пули.

Единство законов

Все силы, рассмотренные в этой главе, — проявления единого божественного порядка. Закон всемирного тяготения управляет движением небесных тел, закон Гука — поведением упругих тел, законы трения — движением по поверхностям. За внешним разнообразием явлений скрывается удивительная простота и стройность: всё, что происходит в мире, подчиняется точным, неизменным законам, открытым человеком по воле Бога.


Упражнения

Задача 1

Определите силу всемирного тяготения между двумя телами массами 100 кг и 200 кг, находящимися на расстоянии 10 м друг от друга. Во сколько раз эта сила меньше силы тяжести, действующей на тело массой 1 кг?

Задача 2

Чему равна сила тяжести, действующая на тело массой 5 кг? Ускорение свободного падения принять равным $9{,}8\ \text{м/с}^2$.

Задача 3

На какой высоте над поверхностью Земли ускорение свободного падения вдвое меньше, чем у поверхности? Радиус Земли принять равным 6400 км.

Задача 4

Пружина жёсткостью 200 Н/м растянута на 5 см. Чему равна сила упругости? Какой груз можно подвесить к этой пружине, чтобы удлинение составило 5 см?

Задача 5

Тело массой 10 кг лежит на горизонтальной поверхности. Коэффициент трения между телом и поверхностью равен 0,3. Какую силу нужно приложить, чтобы сдвинуть тело с места? С какой силой нужно тянуть тело, чтобы оно двигалось равномерно?

Задача 6

Автомобиль массой 1,5 т движется по выпуклому мосту радиусом 50 м со скоростью 36 км/ч. Определите силу давления автомобиля на мост в верхней точке. При какой скорости автомобиль перестанет давить на мост?

Задача 7

Лифт с человеком массой 70 кг начинает движение вверх с ускорением $2\ \text{м/с}^2$. Определите вес человека в лифте. Каким станет его вес, когда лифт будет двигаться равномерно? А при свободном падении?

Задача 8

Парашютист массой 80 кг падает с постоянной скоростью 6 м/с. Определите силу сопротивления воздуха, действующую на него. Чему равна работа силы сопротивления за 10 секунд падения?

Вопросы для повторения

  1. Сколько типов взаимодействий существует в природе? Перечислите их.
  2. Какие силы изучаются в механике?
  3. Сформулируйте закон всемирного тяготения.
  4. Что такое гравитационная постоянная и кто её измерил?
  5. Что называют первой космической скоростью?
  6. В чём различие между весом и силой тяжести?
  7. Что такое невесомость? Приведите примеры.
  8. Какие виды деформации вы знаете?
  9. Сформулируйте закон Гука. Что такое жёсткость?
  10. Какие виды трения существуют? От чего зависит сила трения скольжения?
  11. Как зависит сила сопротивления среды от скорости тела?
  12. Почему космонавты на орбите находятся в невесомости?
← Назад Вперед →
Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.