Формула сили. Сила - формула (фізика)

Слово «сила» настільки всеосяжно, що дати йому чітке поняття - завдання практично нездійсненне. Різноманітність від сили м`язів до сили розуму не охоплює весь спектр вкладених у нього понять. Сила, розглянута як фізична величина, має чітко певне значення і визначення. Формула сили задає математичну модель: залежність сили від основних параметрів.

Історія дослідження сил включає визначення залежно від параметрів і експериментальне доказ залежності.

Сила у фізиці

Сила - міра взаємодії тіл. Взаємна дія тіл один на одного повністю описує процеси, пов`язані зі зміною швидкості або деформацією тел.

Як фізична величина сила має одиницю вимірювання (в системі СІ - Ньютон) і прилад для її виміру - динамометр. Принцип дії силоміри заснований на порівнянні сили, що діє на тіло, з силою пружності пружини динамометра.

За силу в 1 ньютон прийнята сила, під дією якої тіло масою 1 кг змінює свою швидкість на 1 м за 1 секунду.

Сила як векторна величина визначається:

• напрямком дії;
• точкою Програми;
• модулем, абсолютною величиною.

Описуючи взаємодія, обов`язково вказують ці параметри.

Види природних взаємодій: гравітаційні, електромагнітні, сильні, слабкі. Гравітаційні сили (сила всесвітнього тяжіння з її різновидом - силою тяжіння) існують завдяки впливу гравітаційних полів, що оточують будь-яке тіло, що має масу. Дослідження полів гравітації не закінчене досі. Знайти джерело поля поки не представляється можливим.

Більший ряд сил виникає внаслідок електромагнітної взаємодії атомів, з яких складається речовина.

Сила тиску

При взаємодії тіла з Землею воно чинить тиск на поверхню. Сила тиску, формула якої має вигляд: P = mg, визначається масою тіла (m). Прискорення вільного падіння (g) має різні значення на різних широтах Землі.

Сила вертикального тиску дорівнює по модулю і протилежна за напрямком силі пружності, що виникає в опорі. Формула сили при цьому змінюється залежно від руху тіла.

Зміна ваги тіла

Дія тіла на опору внаслідок взаємодії із Землею частіше іменують вагою тіла. Цікаво, що величина ваги тіла залежить від прискорення руху у вертикальному напрямку. У тому випадку, коли напрямок прискорення протилежно прискоренню вільного падіння, спостерігається збільшення ваги. Якщо прискорення тіла збігаються з напрямом вільного падіння, то вага тіла зменшується. Приміром, перебуваючи в поднимающемся ліфті, на початку підйому людина відчуває збільшення ваги деякий час. Стверджувати, що його маса змінюється, не доводиться. При цьому поділяємо поняття «вага тіла» і його «маса».

Сила пружності

При зміні форми тіла (його деформації) з`являється сила, яка прагне повернути тілу його початкову форму. Цій силі дали назву "сила пружності". Виникає вона внаслідок електричного взаємодії частинок, з яких складається тіло.

Розглянемо найпростішу деформацію: розтягування і стиснення. Розтягнення супроводжується збільшенням лінійних розмірів тіл, стиснення - їх зменшенням. Величину, що характеризує ці процеси, називають подовженням тіла. Позначимо її "x". Формула сили пружності прямо пов`язана з подовженням. Кожне тіло, що піддається деформації, має власні геометричні та фізичні параметри. Залежність пружного опору деформації від властивостей тіла і матеріалу, з якого воно виготовлене, визначається коефіцієнтом пружності, назвемо його жорсткістю (k).

Математична модель пружного взаємодії описується законом Гука.

Сила, що виникає при деформації тіла, спрямована проти напрямку зміщення окремих частин тіла, прямо пропорційна його подовженню:

• F_y = -kx (У векторній запису).

Знак «-» говорить про протилежності напрямки деформації і сили.

У скалярною формі негативний знак відсутній. Сила пружності, формула якої має такий вигляд F_y = Kx, використовується тільки при пружних деформаціях.

Взаємодія магнітного поля зі струмом

Вплив магнітного поля на постійний струм описується законом Ампера. При цьому сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, поміщений в нього, називається силою Ампера.

Взаємодія магнітного поля з рухомим електричним зарядом викликає силове прояв. Сила Ампера, формула якої має вигляд F = IBlsinalpha-, залежить від магнітної індукції поля (В), довжини активної частини провідника (l), сили струму (I) в провіднику і кута між напрямком струму і магнітною індукцією.

Завдяки останній залежності можна стверджувати, що вектор дії магнітного поля може змінитися при повороті провідника або зміні напрямку струму. Правило лівої руки дозволяє встановити напрям дії. Якщо ліву руку розташувати таким чином, щоб вектор магнітної індукції входив в долоню, чотири пальці були спрямовані по струму в провіднику, то відігнутий на 90^° великий палець покаже напрям дії магнітного поля.

Застосування цього впливу людством знайдено, наприклад, в електродвигунах. Обертання ротора викликається магнітним полем, створеним потужним електромагнітом. Формула сили дозволяє судити про можливість зміни потужності двигуна. Зі збільшенням сили струму або величини поля обертальний момент зростає, що призводить до збільшення потужності двигуна.

Траєкторії частинок

Взаємодія магнітного поля із зарядом широко використовується в мас-спектрографах при дослідженні елементарних частинок.

Дія поля при цьому викликає появу сили, названої силою Лоренца. При попаданні в магнітне поле рухається з деякою швидкістю зарядженої частинки сила Лоренца, формула якої має вигляд F = vBqsinalpha-, викликає рух частинки по колу.

У цій математичної моделі v - модуль швидкості частинки, електричний заряд якої - q, В - магнітна індукція поля, alpha- - кут між напрямками швидкості і магнітної індукції.

Частинка рухається по колу (або дузі кола), так як сила і швидкість спрямовані під кутом 90^° один до одного. Зміна напрямку лінійної швидкості викликає появу прискорення.

Правило лівої руки, розглянуте вище, має місце і при вивченні сили Лоренца: якщо ліву руку розташувати таким чином, щоб вектор магнітної індукції входив в долоню, чотири пальці, витягнутих у лінію, були спрямовані по швидкості позитивно зарядженої частинки, то відігнутий на 90^° великий палець покаже напрям дії сили.

Проблеми плазми

Взаємодія магнітного поля і речовини використовується в циклотронах. Проблеми, пов`язані з лабораторним вивченням плазми, не дозволяють утримувати її в замкнутих посудинах. Високо іонізований газ може існувати тільки при високих температурах. Утримати плазму в одному місці простору можна за допомогою магнітних полів, закручуючи газ у вигляді кільця. Керовані термоядерні реакції можна вивчати, також закручуючи високотемпературну плазму в шнур за допомогою магнітних полів.

Приклад дії магнітного поля в природних умовах на іонізований газ - Полярне сяйво. Це величне видовище спостерігається за полярним колом на висоті 100 км над поверхнею землі. Загадкове барвисте світіння газу пояснити змогли лише в ХХ столітті. Магнітне поле землі поблизу полюсів не може перешкоджати проникненню сонячного вітру в атмосферу. Найбільш активне випромінювання, спрямоване уздовж ліній магнітної індукції, викликає іонізацію атмосфери.

Явища, пов`язані з рухом заряду

Історично склалося так, що основною величиною, що характеризує протікання струму в провіднику, називають силу струму. Цікаво, що це поняття нічого спільного з силою у фізиці не має. Сила струму, формула якої включає заряд, що протікає за одиницю часу через поперечний переріз провідника, має вигляд:

• I = q / t, де t - час протікання заряду q.

Фактично, сила струму - величина заряду. Одиницею її виміру є Ампер (А), на відміну від Н.

Визначення роботи сили

Силовий вплив на речовину супроводжується вчиненням роботи. Робота сили - фізична величина, чисельно рівна добутку сили на переміщення, пройдене під її дією, і косинус кута між напрямками сили і переміщення.

Шукана робота сили, формула якої має вигляд A = FScosalpha-, включає величину сили.

Дія тіла супроводжується зміною швидкості тіла або деформацією, що говорить про одночасні зміни енергії. Робота сили безпосередньо залежить від величини.