.
Меню сайта
|
СилаСилаПонятие силы имеет очень важное значение для всей физики, потому что именно сила — причина, которая изменяет движения физических тел. Хотя мы очень часто чувствуем на себе действие различных сил, определить, что такое сила, довольно сложно. Механика изучает различные силы главным образом по их действию на тела. Если мы замечаем, что какое-либо тело изменило скорость или направление движения, то мы говорим, что на него подействовала сила. Поэтому наиболее употребительно определение: сила — это действие одного тела на другое. Но в этой формулировке очень мало положительного содержания, так как она не вскрывает механизм действия. То, что у сил различная природа, видно хотя бы из следующих примеров. Мускульным усилием мы сдвигаем нагруженную тележку, и она, достигнув определенной скорости, катится равномерно. Здесь проявляется действие одного тела (наших рук) на другое (тележка). Сила трения постепенно останавливает железнодорожный вагон, который двигается по инерции. Но вот пример другой силы: камень падает на землю с равномерным ускорением. На него действует сила тяготения. Эта сила несколько необычна, потому что здесь одно тело (Земля) действует на другое (камень) на расстоянии без какого-либо промежуточного контакта. Силы всемирного тяготения распространяются на всю Вселенную и действуют между всеми материальными телами, как бы далеко они друг от друга ни находились. Силы электростатического и магнитного притяжений похожи на силу тяготения потому, что эти силы тоже действуют на расстоянии. Существует и третий вид силы, она называется силой инерции. Ее мы особенно хорошо чувствуем, когда автобус сильно тормозит или делает резкий поворот. Мы уже говорили, что силы, действующие между различными телами, одинаковы относительно инерциальных систем отсчета. Здесь уместно сказать несколько слов о неинерциальных системах отсчета. Можно себе представить наблюдателя, который двигается не равномерно, а с ускорением. Тогда весь физический мир будет ему казаться совершенно иным, и он обнаружит, что на тела действуют силы, которых фактически нет. Пусть, например, некто ведет свои наблюдения сквозь стеклянные стенки кабины лифта, которая свободно падает в глубокий колодец. При таком падении наблюдатель будет в состоянии невесомости; следовательно, он может считать, что сила тяжести на него не действует! Измеряя скорость движения различных тел относительно себя (например, скорость движения стены шахты, в которой происходит падение), он установит, что стена двигается равномерно ускоренно и, значит, по закону Ньютона на нее должна действовать сила. Но здравый смысл подсказывает парашютисту в затяжном прыжке, что Земля все быстрее и быстрее приближается к нему не потому, что ей сообщает ускорение какая-то сила. Он знает, что закон Ньютона здесь следует понимать так: именно он, парашютист, падает с равномерным ускорением. В земных условиях сравнительно просто определить, к какому телу приложена сила. Но представим себя в космическом пространстве. Мы наблюдаем за какой-нибудь далекой звездой и обнаруживаем, что она ускоренно движется к нам. Предположим, что нам известна ее масса. Тогда мы определим действующую на нее силу и на основании этого можем сделать несколько различных предположений: 1. Звезда неподвижна, никакая сила на нее не действует, а мы падаем на ее поверхность. 2. Мы двигаемся равномерно и прямолинейно, а звезда — это гигантский космический корабль, набирающий скорость. 3. И мы и звезда двигаемся под действием разных сил. Может быть, звезду притягивает к себе какое-то огромное, невидимое материальное тело. Решить, какое из предположений правильно, очень трудно, пока не будут проведены дополнительные исследования. Эти трудности возникают потому, что в неинерциальных системах отсчета, кроме «обычных» сил, появляются еще «фиктивные» силы как внутри системы отсчета, так и вне ее. Пример действия фиктивной силы — ускоренное движение стен шахты, наблюдаемое из свободно падающей кабины лифта. Фиктивные силы мы определяем только на основании измерений. Однако внутри неинерциальной системы обычные, нефиктивные силы не менее реальны, чем и вне этой системы. Вспомним, например, силу перегрузки, которую испытывает космонавт на активном участке траектории космического корабля. Двигаясь ускоренно против силы тяжести, можно создать перегрузку в несколько раз большую, чем сила тяжести на поверхности Земли. Недаром перегрузки обычно измеряются в единицах g (g — ускорение силы тяжести на поверхности Земли). Если космонавт испытывает перегрузку в 5g, то это значит, что его вес становится в пять раз больше, чем на Земле. Эти силы вызваны инерцией: тело, в соответствии с первым законом Ньютона, стремится сохранить состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения. Изменение этого состояния приводит, по закону действия и противодействия, к «сопротивлению» тела. Вот почему иногда закон действия и противодействия записывают в форме:
где F — действующая сила, а ma — сила инерции. Сила инерции пропорциональна массе тела. В механике, по существу, приходится иметь дело с двумя видами массы. Чтобы в этом разобраться, запишем второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения:
Вторая формула выражает силу взаимного притяжения между массами m и M, R — расстояние между телами, а γ — так называемая гравитационная постоянная. В одном случае тело находится под действием силы F, а во втором — под действием силы притяжения f. Должны ли мы в обоих случаях под массой т понимать одну и ту же величину?
Считается, что обе массы одинаковы, хотя в классической механике это ниоткуда не следует и никак не доказывается. Действительно, во втором законе Ньютона масса т — это мера «сопротивляемости» тела действию силы или мера инерции. Чем больше масса, тем больше она сопротивляется воздействию силы и поэтому при одном и том же значении действующей силы приобретает меньшее ускорение. В законе же всемирного тяготения масса т участвует в некоем «таинственном» взаимодействии с другой массой, отделенной от нее расстоянием R. Здесь масса «активна» в ее действии на другую массу, в отличие от «пассивной», сопротивляющейся массы инерции. Эту активную массу называют гравитационной. Она «имеет право» быть отличимой от инерционной массы. Эйнштейн рассматривал всемирное тяготение не как свойство, присущее материальным телам, а как свойство пространства вблизи материальных тел. Он исходил из того, что гравитационное притяжение не зависит от внутренней структуры вещества. А в природе существуют силы, для которых внутренняя структура тел не безразлична. Магнит, например, притягивает далеко не каждое тело. Диамагнитные вещества магнитное поле даже отталкивает. Причина этого в глубоких особенностях атомной и молекулярной структуры. Гравитационное же притяжение масс не зависит от их химической и физической природы. Кроме того, доказано и опытным путем, и теоретически, что скорость падения различных тел на Землю не зависит от их массы. В вакууме пушинка и килограммовая гиря будут падать с любой высоты с одинаковой скоростью. Утверждая справедливость преобразования Галилея (см. Неравномерное движение), мы выдвинули гипотезу об изотропном и однородном пространстве. Такая гипотеза верна, если предположить, что свойства пространства не зависят от присутствия в нем материальных тел. Эйнштейн, исходя из тождественности инерционной и гравитационной масс, высказал предположение, что пространство изменяет свои свойства вблизи материальных тел, что оно перестает быть однородным и изотропным, а траектории движения других тел в таком пространстве искривляются. Наблюдатель воспринимает такое изменение пространственных свойств как действие закона всемирного тяготения. Предположение Эйнштейна впоследствии было неоднократно подтверждено на опытах. Чтобы закончить рассказ о силах, мы рассмотрим один интересный класс сил, которые действуют не в направлении движения тел. Скорость и ускорение тела и расстояние до него от исходной точки отсчета — все это величины векторные, т. е. у них есть направление. Если тело свободно передвигается в пространстве, направление его движения совпадает с направлением действия силы. Однако это происходит иначе, если движение тела «связанно». Например, движение по круговой траектории обладает замечательным свойством: направление скорости движения и направление действия центростремительной силы взаимно перпендикулярны. Планеты, двигаясь по эллиптическим орбитам вокруг Солнца, испытывают действие центростремительных сил, которые направлены под углом к вектору их движения. Центростремительная сила уравновешивается силой притяжения к Солнцу, так что результирующая сила равна нулю и планеты движутся по инерции. Может показаться странным, что мы говорим об инерции на криволинейной орбите, ведь инерциальное движение, согласно учению Ньютона, возможно лишь по прямым линиям. Именно здесь-то и сказывается выдвинутое Эйнштейном положение о том, что прямые, по которым могут двигаться тела по инерции, становятся вблизи материальных тел кривыми. Опыты показали, что вблизи Солнца даже свет искривляет свой путь. А ведь его прямолинейное распространение раньше не вызывало сомнения.
Существует инерционная сила, действие которой не проявляется, пока тело неподвижно, но она сразу же обнаруживает себя, как только тело начинает двигаться. По радиусу вращающегося диска («колеса смеха») передвигается тело за время t из точки А в точку В. Если точка А находится от центра на расстоянии R1, а точка В — на расстоянии R2, то линейная скорость вращения этих точек будет ωRl и ωR2, где ω— круговая частота вращения диска. Значит, за время t скорость тела в направлении, перпендикулярном радиусу, изменится на величину ω(R2-R1). Следовательно, на него будет действовать ускорение
или сила F=mωv. Если скорость тела v вдоль радиуса диска равна нулю, сила F тоже равна нулю. Действует эта сила перпендикулярно движению тела по диску. Называется она силой Кориолиса. На Земле эта сила, например, проявляется при течении рек вдоль меридианов (рис. 5). Если река течет с севера на юг, то вследствие вращения Земли с запада на восток действует сила Кориолиса и вода подмывает западный берег; если с юга на север — то восточный. В южном полушарии все это происходит наоборот.
|
ПОИСК
Block title
|