 |
2.2. Характеристика сил в механике
|
|
|
|
2. 2. Характеристика сил в механике
В современной физике различают 4 вида взаимодействий: гравитационное (обусловлено всемирным тяготением), электромагнитное (осуществляе-мое через электрическое и магнитное поля), ядерное (’’связывающее’’ между собой частицы атомного ядра), слабое (ответственное за процессы распада элементарных частиц).
В изучаемой классической механике встречаются только гравитационные и электромагнитные взаимодействиями, так как все рассматриваемые силы сводятся к электромагнитным силам взаимодействия между молекулами либо к гравитационному взаимодействию тел.
2. 3. Сила тяготения. Сила тяжести. Вес тела
|
|
Закон всемирного тяготения: сила взаимного притяжения двух материальных точек прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и направлена вдоль прямой, соединяющей эти точки (рис. 2. 2)
1 2= 
12,
где 12 - сила тяготения (гравитационная) между материальными точками m1 и m2, 12 - радиус - вектор, g = 6, 67. 10-11 м3/(кг. с2) - гравитационная постоянная.
Любое тело на Земле испытывает действие огромного множества сил гравитационного притяжения со стороны окружающих его тел, но все эти силы ничтожно малы по сравнению с силой притяжения тела к Земле. Ввиду большой важности этой силы ей присвоили особое название - сила тяжести тела.
Под действием силы тяжести все тела приобретают одинаковое относительно Земли ускорение, называемое ускорением свободного падения, и обозначают буквой 
.
На тело массы m действует сила тяжести m , приложенная к центру масс тела (рис. 2. 3).
|
Рис. 2. 3 Рис. 2. 4 |
Вес тела ( 
) - сила, с которой тело действует на горизонтальную опору, неподвижную относительно тела, или растягивает нить, удерживающую ее от свободного падения вследствие гравитационного притяжения к Земле.
|
|
|
Вес тела приложен не к телу, а к опоре или подвесу (рис. 2. 4), вес тела может быть равен, больше или меньше силы тяжести.
Состояние невесомости ( = 0) - это особый случай, когда на тело действует извне только сила тяготения и поэтому тело находится в недеформированном состоянии.
2. 4. Деформация. Сила упругости. Закон Гука
Под деформацией понимают изменение объема и формы тела под действием внешних сил.
Сила упругости - это сила, возникающая при деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению смещения частиц тела при деформации, перпендикулярно к деформируемой поверхности.
Упругая деформация - деформация, при которой тело полностью восстанавливает свою форму и размеры после снятия внешней нагрузки.
Закон Гука: для упругих деформаций растяжения (сжатия) сила упругости упр, возникающая в теле, пропорциональна величине деформации и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации.
|
Рис. 2. 5 |
Закон Гука обычно записывается двумя способами:
- для деформации пружин (рис. 2. 5)
упр = - k , Fупр = kx,
где k - жесткость пружины, х - величина деформации (изменение длины) пружины;
- для деформации стержней
,
где S - площадь поперечного сечения стержня,
Dl - абсолютная деформация,
Е - модуль Юнга материала,
l0 - первоначальная длина.
2. 5. Силы трения
Если твердое тело соприкасается с другими телами, то со стороны этих тел на него действуют определенные силы. Пусть, например, тело покоится на наклонной плоскости (рис. 2. 6). На тело действуют две силы: сила тяжести m - со стороны Земли и сила реакции опоры 
- со стороны поверхности наклонной плоскости. Так как тело покоится, то mg = Q.
|
|
|
|
Рис. 2. 7 |
|
Рис. 2. 6 |
Разложим силу реакции опоры на две составляющие - нормальную 
и касательную тр (рис. 2. 7). Нормальная составляющая называется нормальной реакцией опоры, касательная составляющая тр зависит от свойств соприкасающихся поверхностей и называется силой трения.
Сила трения, действующая между телами неподвижными друг относительно друга, называется силой трения покоя.
Сила трения покоя тр. п всегда равна по величине и противоположна по направлению той внешней силе или ее проекции, которая стремится вызвать скольжение тела (рис. 2. 9)
Fтр. п = mgsina.
Сила трения покоя Fтр. п может принимать любые значения в диапазоне от нуля до mN, где m - коэффициент трения скольжения
0 £ Fтр. п £ mN.
Сила трения, возникающая при относительном движении соприкасающихся тел и препятствующая этому движению называется силой трения скольжения, величина которой
Fтр. = mN.
При движении твердого тела в жидкости или газе на тело действует сила сопротивления. При малых скоростях движения силу сопротивления можно считать прямо пропорциональной скорости, т. е.
с = - b 
,
где b - коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров тела и вязкости среды.
|
|
|
