Взаимодействие тел

Примеров взаимодействия тела можно привести сколько угодно. Когда вы, находясь в лодке, начнёте за веревку подтягивать другую, то и ваша лодка обязательно продвинется вперед. Действуя на вторую лодку, вы заставляете ее действовать на вашу лодку.

Если вы ударите ногой по футбольному мячу, то немедленно ощутите обратное действие на ногу. При соударении двух бильярдных шаров изменяют свою скорость, т.е. получают ускорение оба шара. Все это проявление общего закона взаимодействия тел.

Действия тел друг на друга носят характер взаимодействия не только при непосредственном контакте тел. Положите, например, на гладкий стол два сильных магнита с разными полюсами навстречу друг другу, и вы тут же обнаружите, что начнут двигаться навстречу друг другу. Земля притягивает Луну (сила всемирного тяготения) и заставляет ее двигаться по криволинейной траектории; в свою очередь Луна также притягивают Землю (тоже сила всемирного тяготения). Хотя, естественно, в системе отсчёта, связанной с Землей, ускорение земли, вызываемое этой силой, нельзя обнаружить непосредственно, оно проявляется в виде приливов.

Выясним с помощью опыта, как связаны между собой силы взаимодействия двух тел. Грубые измерения сил можно произвести на следующих опытах:

1 опыт . Возьмем два динамометра, зацепим друг за друга их крючки, и взявшись за кольца, будем растягивать их, следя за показаниями, обоих динамометров.

Мы увидим, что при любых растяжениях показания обоих динамометров будут одинаковы; значит, сила, с которой первый динамометр действует на второй, равна силе, с которой второй динамометр действует на первый.

2 опыт. Возьмем достаточно сильный магнит и железный брусок, и положим их на катки, чтобы уменьшить трение о стол. К магниту и бруску прикрепим одинаковые мягкие пружины, зацепленными другими концами на столе. Магнит и брусок притянутся друг к другу и растянут пружины.

Опыт показывает, что к моменту прекращения движения пружины оказываются растянутыми одинаково. Это означает, что на оба тела со стороны пружин действуют одинаковые по модулю и противоположные по направлению силы.

Так как магнит покоится, то сила равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой действует на него брусок.

Точно также равны по модулю и противоположны по направлению силы, действующие на брусок со стороны магнита и пружины.

Опыт показывает, силы взаимодействия между двумя телами равны по модулю и противоположны по направлению и в тех случаях, когда тела движутся.

3 опыт. На двух тележках, которые могут катиться по рельсам, стоят два человека А и В. Они держат в руках концы веревки. Легко обнаружить, что независимо от того, кто натягивает веревку, А или В или оба вместе, тележки всегда приходят в движение одновременно и притом в противоположных направлениях. Измеряя ускорения тележек, можно убедиться, что ускорения обратно пропорциональны массам каждой из тележек (вместе с человеком). Отсюда следует, что силы, действующие на тележки, равны по модулю.

Первый закон Ньютона . Инерциальные системы отсчета

В качестве первого закона динамики Ньютон принял закон, установленный еще Галилеем: материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет ее из этого состояния.

Первый закон Ньютона показывает, что покоя или равномерного прямолинейного движения не требует для своего поддержания каких либо внешних воздействий. В этом проявляется особое динамическое свойство тел, называемое их инертностью .

Соответственно первыйзакон Ньютона называют законом инерции, а движение тела в отсутствии воздействий со стороны других тел – движением по инерции.

Механическое движение относительно: его характер для одного и того же тела может быть различным в разных системах отсчета, движущихся друг относительно друга. Например, космонавт, находящийся на борту искусственного спутника Земли, неподвижен в системе отсчета, связанной со спутником. В то же время по отношению к Земле он движется вместе со спутником по эллиптической орбите, т.е. не равномерно и не прямолинейно.

Естественно поэтому, что первый закон Ньютона должен выполняться не во всякой системе отсчета. Например, шар, лежащий на гладком полу каюты корабля, который идет прямолинейно и равномерно, может прийти в движение по полу без всякого воздействия на него со стороны каких-либо тел. Для этого достаточно, чтобы скорость корабля начала изменяться.

Система отсчета, по отношению к которой материальная точка, свободная от внешних воздействий, покоится или движется равномерно и прямолинейно, называется инерциальной системой отсчета. Содержание первого закона ржание первого закона Ньютона сводится по существу к двум утверждениям: во первых, что все тела обладают свойством инертности и, во вторых, что существуют инерциальные системы отсчета.

Любые две инерциальные системы отсчета могут двигаться друг относительно друга только поступательно и притом равномерно и прямолинейно. Экспериментально установлено, что практически инерциальна гелиоцентрическая система отсчета, начало координат которой находится в центре масс Солнечной системы (приближенно – в центре Солнца), а оси проведены в направлении трех удаленных звезд, выбранных, например, так, чтобы оси координат были взаимно перпендикулярны.

Лабораторная система отсчета, оси координат которой жестко связаны с Землей, не инерциальна главным образом из-за суточного вращения Земли. Однако Земля вращается столь медленно, что максимальное нормальное ускорение точек ее поверхности в суточном вращении не превосходит 0,034м/.поэтому в большинстве практических задач лабораторную систему отсчета можно приближенно считать инерциальной.

Инерциальные системы отсчета играют особую роль не только в механике, но также и во всех других разделах физики. Это связано с тем, что, согласно принципу относительности Эйнштейна, математическое выражение любого физического закона должно иметь один и тот же вид во всех инерциальных системах отсчета.

Сила

Силой называется векторная величина, являющаяся мерой механического действие на рассматриваемое тело со стороны других тел. Механическое взаимодействие может осуществляться как между непосредственно контактирующими телами (например, при трении, при давлении тел друг на друга), так и между удаленными телами. Особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действия одних частиц на другие, называются физическим полем, или просто полем.

Взаимодействие между удаленными телами осуществляется посредством создаваемых ими гравитационных и электромагнитных полей (например, притяжении планет к Солнцу, взаимодействие заряженных тел, проводников с током и т.п.). Механическое действие на данное тело со стороны других тел проявляется двояко. Оно способно вызывать, во-первых, изменение состояния механического движения рассматриваемого тела, а во-вторых, - его деформацию. Оба эти проявления действия силы могут служить основой для измерения сил. Например, измерения сил с помощью пружинного динамометра основанного на законе Гука для продольного растяжения. пользуясь понятием силы в механике обычно говорят о движении и деформации тела под действием приложенных к нему сил.

При этом, конечно, каждой силе всегда соответствует некоторое тело, действующее на рассматриваемое с этой силой.

СилаF полностью определена, если заданы ее модуль, направление в пространстве и точка приложения. Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы.

Поле, действующее на материальную точку с силой F , называется стационарным полем , если оно не изменяется с течением времени t , т.е. если в любой точке поля сила F не зависит явно от времени:

Для стационарности поля необходимо, чтобы создающие его тела покоились относительно инерциальной системы отсчета, используемой при рассмотрении поля.

Одновременное действие на материальную точку M нескольких сил эквивалентно действию одной силы, называемой равнодействующей , или результирующей , силой и равной их геометрической сумме.

Она представляет собой замыкающую многоугольника сил

Масса. Импульс

В классической механике массой материальной точки называется положительная скалярная величина, являющаяся мерой инертности этой точки. Под действием силы материальная точка изменяет свою скорость не мгновенно, постепенно, т.е. приобретает конечное по величине ускорение, которое тем меньше, чем больше масса материальной точки. Для сравнения масс и двух материальных точек достаточно измерить модули и ускорений, приобретаемых этими точками под действием одной и той же силы:

Обычно массу тела находят путем взвешивания на рычажных весах.

В классической механике считается, что:

а) Масса материальной точки не зависит от состояния движения точки, являясь ее неизменной характеристикой.

б) Масса – величина аддитивная, т.е. масса системы (например, тела) равна сумме масс вех материальных точек, входящих в состав этой системы.

в) Масса замкнутой системы остается неизменной при любых процессах, происходящих в этой системе (закон сохранения массы).

Плотностью ρ тела в данной его точке M называется отношение массы dm малого элемента тела, включающего точку M , к величине dV объема этого элемента:

Размеры рассматриваемого элемента должны быть столь малы, чтобы изменением плотности в его пределах можно было во много раз больше межмолекулярных расстояний.

Тело называется однородным , если во всех его точках плотность одинакова. Масса однородного тела равна произведению его плотности на объем:

Масса неоднородного тела:

где ρ – функция координат, а интегрирование проводится по всему объему тела. Средней плотностью (ρ) неоднородного тела называется отношение его массы к объему: (ρ)=m/V.

Центром масс системы материальных точек называется точка С, радиус-вектор которой равен:

где и – масса и радиус-вектор i -й материальной точки, n – общее число материальных точек в системе, а m= - масса всей системы.

Скорость центра масс:

Векторная величина, равная произведению массы материальной точки на ее скорость, называется импульсом, или количеством движения , этой материальной точки. Импульсом системы материальных точек называется вектор p , равный геометрической сумме импульсов всех материальных точек системы:

импульс системы равен произведению массы всей системы на скорость центра ее масс:

Второй закон Ньютона

Основным законом динамики материальной точки является второй закон Ньютона, который говорит о том, как изменяется механическое движение материальной точки под действием приложенных к ней сил. Второй закон Ньютона гласит: скорость изменения импульса ρ материальной точки равна действующей на нее силе F , т.е.

где m и v – масса и скорость материальной точки.

Если на материальную точку одновременно действуют несколько сил, то под силой F во втором законе Ньютона нужно понимать геометрическую сумму всех действующих сил – как активных, так и реакций связей, т.е. равнодействующую силу.

Векторная величина F dt называется элементарном импульсом силы F за малое время dt ее действия. Импульс силы F за конечный промежуток времени от до равен определенному интегралу:

где F , в общем случае, зависит от времени t .

Согласно второму закону Ньютона изменение импульса материальной точки равно импульсу действующей на нее силы:

d p= Fdt и,

где – значение импульса материальной точки в конце () и в начале () рассматриваемого промежутка времени.

Поскольку в ньютоновской механике масса m материальной точки не зависит от состояния движения точки, то

Поэтому математическое выражение второго закона Ньютона можно также представить в форме

где – ускорение материальной точки, r – ее радиус-вектор. Соответственно формулировка второго закона Ньютона гласит: ускорение материальной точки совпадает по направлению с действующей на нее силой и равно отношению этой силы к массе материальной точки.

Касательное и нормальное ускорение материальной определяются соответствующими составляющими силы F

где – модуль вектора скорости материальной точки, а R – радиус кривизны ее траектории. Сила, сообщающая материальной точке нормальное ускорение, направлена к центру кривизны траектории точки и потому называется центростремительной силой.

Если на материальную точку одновременно действуют несколько сил, то ее ускорение

где. Следовательно, каждая из сил, одновременно действующих на материальную точку, сообщает ей такое же ускорение, как если бы других сил не было (принцип независимости действия сил).

Дифференциальным уравнением движения материальной точки называется уравнение

В проекциях на оси прямоугольной декартовой системы координат это уравнение имеет вид

где x, y и z – координаты движущейся точки.

Третий закон Ньютона . Движение центра масс

Механическое действие тел друг на друга проявляется в виде их взаимодействия. Об этом говорит третий закон Ньютона: две материальные точки действуют друг на друга с силами, которые численно равны и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей эти точки.

Если – сила, действующая на i - ю материальную точку со стороны k - й, а – сила действующая на k-ю материальную точку со стороны i-й, то, согласно третьему закону Ньютона,

Сила приложены к разным материальным точкам и могут и взаимно уравновешиваться только в тех случаях, когда эти точки принадлежат одному и тому же абсолютно твердому телу.

Третий закон Ньютона является существенным дополнением к первому и второму законам. Он позволяет перейти от динамики отдельной материальной точки к динамике произвольной механической системы (системы материальных точек). Из третьего закона Ньютона следует, что в любой механической системе геометрическая сумма всех внутренних сил равна нулю:

где n – число материальных точек, входящих в состав системы, а.

Вектор, равный геометрической сумме все внешних сил, действующих на систему, называется главным вектором внешних сил:

где – результирующая внешних сил, приложенных к i -й материальной точке.

Из второго и третьего законов Ньютона следует, что первая производная по времени t от импульса p механической системы равна главному вектору всех внешних сил, приложенных к системе,

Это уравнение выражает закон изменения импульса системы.

Так как, где m – масса системы, а – скорость ее центра масс, то закон движения центра масс механической системы имеет вид

где – ускорение центра масс. Таким образом, центр масс механической системы движется как материальная точка, масса которой равна массе всей системы и на которую действует сила, равная главному вектору внешних сил, приложенных к системе.

Если рассматриваемая система – твердое тело, которое движется поступательно, то скорости всех точек тела и его центра масс одинаковы и равны скорости v тела. Соответственно ускорение тела, и основное уравнение динамики поступательного движения твердого тела имеет вид

Какие основные особенности взаимодействия тел?

Если на тело не действуют другие тела, то оно либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно. Взаимодействие тел приводит
к ускорению тел. Для двух данных взаимодействующих тел отношение модулей их
ускорений всегда одно и то же.

Простые наблюдения и опыты, например с тележками (рис. 3), приводят к следующим качественным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной; б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.

Взаимодействия отличаются друг от друга и количественно, и качественно. Например, ясно, что чем больше деформируется пружина, тем больше взаимодействие ее витков. Или чем ближе два одноименных заряда, тем сильнее они будут притягиваться. В простейших случаях взаимодействия количественной характеристикой является сила. Сила - причина ускорения тел (в инерциальной системе отсчета). Сила - это векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точкой приложения; в) направлением.

Единица силы - ньютон (Н). 1 ньютон - это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2 в направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Равнодействующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу:

Качественно по своим свойствам взаимодействия также различны. Например, электрическое и магнитное взаимодействия связаны с наличием зарядов у частиц либо с движением заряженных частиц. Наиболее просто рассчитать силы в электродинамике: сила Ампера -, сила Лоренца -, кулоновская сила - и гравитационные си-лы: закон всемирного тяготения -. Такие механические силы, как сила упругости и сила трения, возникают в результате электромагнитного взаимодействия частиц вещества. Для их расчета необходимо использовать формулы: (закон Гука), - сила трения.

На основании обобщения огромного числа опытных фактов и наблюдений были сформулированы законы динамики. Такое обобщение было выполнено Исааком Ньютоном.

Первый закон Ньютона постулирует существова-ние инерционных систем отсчета и дает признак, пользуясь которым такие системы можно выделить из всего разнообразия систем отсчета: существуют такие системы отсчета, относительно которых посту¬пательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсируются).

Второй закон Ньютона отражает фундаменталь¬ное свойство материального мира, в соответствии с которым относительно инерциальных систем отсчета ускорение тел возникает только под действием сил. Этот закон формулируется следующим образом. Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, дей-ствующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействую¬щая сила: Часто основной закон динамики записывают в виде, что дает универсальный способ определения любых сил на основе кинематических методов измерения ускорения. Третий закон Ньютона является обобщением громадного количества опытных фактов, показывающих, что силы - результат взаимодействия тел. Он формулируется следующим образом: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Распространенные ошибки1. Многие абитуриенты не понимают, какая связь существует между законами Ньютона. Приходилось слышать такие ответы, в которых говорилось, что будто бы первый закон Ньютона является следствием второго закона Ньютона. Это не верно. Первый закон Ньютона (закон инерции) - важный и самостоятельный закон. Он утверждает, что если на тело не действуют другие тела, то оно находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения относительно инерциальной системы отсчета. Из этого закона следует, что причиной изменения скоростя является сила.

Взаимодействие тел. Опыт показывает, что при сближении тел (или систем тел) характер их поведения меняется. Поскольку эти изменения носят взаимный характер, говорят, что тела взаимодействуют друг с другом . При разведении тел на очень большие расстояния (на бесконечность) все известные на сегодняшний день взаимодействия исчезают.

Галлилей первым дал правильный ответ на вопрос, какое движение характерно для свободных (т.е. не взаимодействующих тел). Вопреки существующему тогда мнению, что свободные тела “стремятся” к состоянию покоя (), он утверждал, что при отсутствии взаимодействия тела находятся в состоянии равномерного движения (
), включающего покой как частный случай.

Инерциальные системы отсчета. В рамках формального математического подхода, реализуемого в кинематике, утверждение Галилея выглядит бессмысленным, поскольку равномерное в одной системе отсчета движение может оказаться ускоренным в другой, которая “ничем не хуже” исходной. Наличие взаимодействия позволяет выделить особый класс систем отсчета, в которых свободные тела движутся без ускорения (в этих системах большинство законов природы имеют наиболее простую форму). Такие системы называются инерциальными.

Все инерциальные системы эквивалентны друг другу, в любой из них законы механики проявляются одинаково. Это свойство было также отмечено Галилеем в сформулированном им принципе относительности: никаким механическим опытом в замкнутой (т.е. не сообщающейся с внешним миром) системе отсчета невозможно установить покоится ли она или равномерно движется. Любая система отсчета, равномерно движущаяся относительно инерциальной тоже является инерциальной.

Между инерциальными и неинерциальными системами отсчета существует принципиальное отличие: находящийся в замкнутой системе наблюдатель способен установить факт движения с ускорением последних, “не выглядывая наружу”(напр. при разгоне самолета пассажиры ощущают, что их “вдавливает” в кресла). В дальнейшем будет показано, что в неинерциальных системах геометрия пространства перестает быть евклидовой.

Законы Ньютона как основа классической механики. Сформулированные И.Ньютоном три закона движения в принципе позволяют решить основную задачу механики , т.е. по известным начальному положению и скорости тела определить его положение и скорость в произвольный момент времени.

Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета.

Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах ускорение тела пропорционально приложенной силе , физической величине, являющейся количественной мерой взаимодействия. Величину силы, характеризующей взаимодействие тел, можно определить, например, по деформации упругого тела, дополнительно введенного в систему так, что взаимодействие с ним полностью компенсирует исходное. Коэффициент пропорциональности между силой и ускорением называют массой тела :

(1) F= ma

Под действием одинаковых сил тела с большей массой приобретают меньшие ускорения. Массивные тела при взаимодействии в меньшей степени меняют свои скорости, “стремясь сохранить естественное движение по инерции”. Иногда говорят, что масса является мерой инертности тел (рис. 4_1).

К классическим свойствам массы следует отнести 1) ее положительность (тела приобретают ускорения в направлении приложенных сил), 2) аддитивность (масса тела равна сумме масс его частей), 3) независимость массы от характера движения (напр. от скорости).

Третий закон утверждает, что взаимодействия оба объекта испытывают действия сил, причем эти силы равны по величине и противоположно направлены.

Типы фундаментальных взаимодействий. Попытки классификации взаимодействий привели к идее выделения минимального набора фундаментальных взаимодействий , при помощи которых можно объяснить все наблюдаемые явления. По мере развития естествознания этот набор менялся. В ходе экспериментальных исследований периодически обнаруживались новые явления природы, не укладывающиеся в принятый фундаментальный набор, что приводило к его расширению (например, открытие структуры ядра потребовало введения ядерных сил). Теоретические же осмысление, вцелом стремящееся к единому, максимально экономному описанию наблюдаемого многообразия, неоднократно приволило к “великим объединениям” внешне совершенно несхожих явлений природы (ньютон понял,что падение яблока и движение планет вокруг Солнца являются результатами проявления гравитационных взаимодействий, Эйнштейн установил единую природу электрических и магнитных взаимодействий, Бутлеров опроверг утверждения о различной природе органических и неорганических веществ).

В настоящее время принят набор из четырех типов фундаментальных взаимодействий :гравитационные, электромагнитные, сильное и слабые ядерные . Все остальные, известные на сегодняшний день, могут быть сведены к суперпозиции перечисленных.

Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мега-мире).

Электромагнитные взаимодействия обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Играют доминирующую роль в макро мире и микромире вплоть на расстояниях, превосходящих характерные размеры атомных ядер.

Ядерные взаимодействия играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра, где классическое описание заведомо неприменимо.

В настоящее время стали весьма популярны рассуждения о биополе , при помощи которого “объясняется” ряд не очень надежно установленных на эксперименте явлений природы, связанных с биологическими объектами. Серьезное отношение к понятию биополя зависит от того, какой конкретный смысл. Вкладывается в этот термин. Если понятие биополя используется для описания взаимодействий с участием биологических объектов, сводящихся к четырем фундаментальным, такой подход не вызывает принципиальных возражений, хотя введение нового понятия для описания “старых” явлений противоречит общепринятой в естествознании тенденции к минимизации теоретического описания. Если же под биополем понимается новый тип фундаментальных взаимодействий, проявляющийся на макроскопическом уровне (возможности существования которого априорно, очевидно, отрицать бессмысленно), то для столь далеко идущих выводов необходимы очень серьезные теоретические и экспериментальные обоснования, сделанные на языке и методами современного естествознания, которые до настоящего времени представлены не были.

Законы Ньютона и основная задача механики. Для решения основной задачи механики (определение положения тела в произвольный момент времени по известным начальному положению и скорости) достаточно найти ускорение тела как функцию времени a (t). Эту задачу решают законы Ньютона (1) при условии известных сил. В общем случае силы могут зависеть от времени, положения и скорости тела:

(2) F=F (r,v, t) ,

т.е. для нахождения ускорения тела необходимо знать его положение и скорость. Описанная ситуация в математике носит название дифференциального уравнения второго порядка :

(3)
,

(4)

В математике показывается, что задача (3-4) при наличии двух начальных условий (положение и скорость в начальный момент времени) всегда имеет решение и притом единственное . Т.о. основная задача механики в принципе всегда имеет решение, однако найти его часто бывает весьма трудно.

Детерминизм Лапласа . Немецкий математик Лаплас применил аналогичную теорему о существовании и единственности решения задачи типа (3-4) для системы из конечного числа уравнений для описания движения всех взаимодействующих друг с другом частиц реального мира и пришел к выводу о принципиальной возможности расчета положения всех тел в любой момент времени. Очевидно, что это означало возможность однозначного предсказанная будущего (хотя бы в принципе) и полную детерменированность (предопределенность) нашего мира. Сделанное утверждение, носящее скорее философский, а не естественно научный характер, получило название детерминизма Лапласа . При желании из него можно было сделать весьма далеко идущие философские и социальные выводы о невозможности влиять на предопределенный ход событий. Ошибочность этого учения состояла в том, что атомы или элементарные частицы (“материальные точки”, из которых составлены реальные тела) на самом деле не подчиняются классическому закону движения (3), верному лишь для макроскопических объектов (т.е. обладающих достаточно большими массами и размерами). Правильное с точки зрения сегодняшней физики описание движения во времени микроскопических объектов, какими являются составляющие макроскопические тела атомы и молекулы, дается уравнениями квантовой механики, , позволяющими определить только вероятность нахождения частицы в заданной точке, но принципиально не дающего возможности расчета траекторий движения для последующих моментов времени.

>> Взаимодействие тел

• Почему Луна движется вокруг Земли, а не улетает в космическое пространство? Какое тело называется заряженным? Как взаимо­действуют друг с другом заряженные тела? Часто ли мы сталкиваемся с электромагнитным взаимодействием? Это только часть вопросов, с которыми нам предстоит разобраться в этом параграфе. Приступим!

1. Убеждаемся, что тела взаимодействуют

В повседневной жизни мы постоянно встречаемся с различными ви­дами воздействий одних тел на другие. Чтобы открыть дверь, нужно «по­действовать» на нее рукой, от воздействия ноги мяч летит в ворота, даже присаживаясь на стул, вы действуете на него (рис. 1.35, с. 38).

В то же время, открывая дверь, мы ощущаем ее воздействие на нашу руку, действие мяча на ногу особенно ощутимо, если вы играете в футбол босиком, а действие стула не позволяет нам упасть на пол. То есть действие всегда является взаимодействием: если одно тело действует на другое, то и другое тело действует на первое.

Рис. 1.35. Примеры взаимодействия тел

Можно наглядно убедиться в том, что дейс­твие не бывает односторонним. Проведите не­сложный эксперимент : стоя на коньках, слегка толкните своего товарища. В результате начнет двигаться не только ваш товарищ, но и вы сами.

Эти примеры подтверждают вывод ученых о том, что в природе мы всегда имеем дело с вза­имодействием, а не с односторонним действием.

Рассмотрим более подробно некоторые виды взаимодействий.

2. Вспоминаем о гравитационном взаимодействии

Почему любой предмет, будь то карандаш, выпущенный из руки, лист дерева или капля дождя, падает, двигается вниз (рис. 1.36)? Поче­му стрела, выпущенная из лука, не летит прямо, а в конце концов падает на землю? Почему Луна движется вокруг Земли? Причина всех этих яв­лений заключается в том, что Земля притягивает к себе другие тела, а эти тела также притягива­ют к себе Землю. Например, притяжение Луны вызывает на Земле приливы (рис. 1.37). Наша планета и все другие планеты Солнечной систе­мы притягиваются к Солнцу и друг к другу.

Рис. 1.36. Капли дождя падают вниз под действием притяжения Земли

В 1687 году выдающийся английский фи­зик Исаак Ньютон (рис. 1.38) сформулиро­вал закон , согласно которому между всеми телами во Вселенной существует взаимное притяжение.

Рис. 1.37. Приливы являются следствием притяжения Луны

Такое взаимное притяжение ма­териальных объектов называют гравитаци­онным взаимодействием. Опираясь на опыты и математические расчеты, Ньютон установил, что интенсивность гравитационного взаимо­действия увеличивается с увеличением масс взаимодействующих тел. Именно поэтому легко убедиться в том, что нас с вами притя­гивает Земля, но мы совершенно не чувствуем притяжения нашего соседа по парте.

3. Знакомимся с макромагнитным взаимодействием

Существуют и другие виды взаимодей­ствий. Например, если потереть воздушный шарик кусочком шелка, он начнет притягивать к себе различные легкие предметы: ворсинки, зернышки риса, листочки бумаги (рис. 1.39). Про такой шарик говорят, что он наэлектризован, или заряжен.

Заряженные тела взаимодействуют меж­ду собой, но характер их взаимодействия мо­жет быть разным: они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга (рис. 1.40).

Рис. 1.38. Известный английский ученый Исаак Ньютон (1643-1727)

Впервые серьезные исследования этого явления были проведены английским ученым Уильямом Гильбертом (1544-1603) в конце XVI века.

Рис. 1.39. Наэлектризованный шарик притягивает к себе лист бумаги

Рис. 1.40. Два заряженных шари­ка взаимодействуют между собой: а - притягиваются; б - отталкиваются

Взаимодействие между заряженными телами Гильберт назвал электрическим (от греч. слова elektron - янтарь), так как еще древние греки заметили, что янтарь, если его потереть, начинает притягивать к себе мелкие предметы.

Вы хорошо знаете, что стрелка компаса, если дать ей возможность свободно вращать­ся, всегда останавливается так, что один ее конец указывает на север, а другой - на юг (рис. 1.41). Это связано с тем, что стрелка ком­паса - магнит, наша планета Земля - тоже магнит , причем огромный, а два магнита всег­да взаимодействуют друг с другом. Возьмите два любых магнита, и как только вы попробу­ете приблизить их друг к другу, сразу же по­чувствуете притяжение или отталкивание. Та­кое взаимодействие называется магнитным.

Физики установили, что законы, описыва­ющие электрические и магнитные взаимодейс­твия, едины. Поэтому в науке принято говорить о едином электромагнитном взаимодействии.

С электромагнитными взаимодействиями мы встречаемся буквально на каждом шагу - ведь при ходьбе мы взаимодействуем с покрытием дороги (отталкиваемся), и природа этого взаи­модействия электромагнитная. Благодаря элек­тромагнитным взаимодействиям мы двигаемся, сидим, пишем. Видим, слышим, обоняем и ося­заем мы также с помощью электромагнитного взаимодействия (рис. 1.42). Действие большинс­тва современных приборов и бытовой техники основано на электромагнитном взаимодействии.

Скажем больше: существование физических тел, в том числе и нас с вами, было бы невоз­можно без электромагнитного взаимодействия. Ho как со всем этим связано взаимодействие заряженных шариков и магнитов? - спросите вы. He спешите: изучая физику , вы обязатель­но убедитесь, что эта связь существует.

4. Сталкиваемся с нерешенными проблемами

Наше описание окажется неполным, если мы не упомянем еще два вида взаимодейс­твий, которые были открыты только в середине прошлого века.

Рис. 1.41 Стрелка компаса всегда сориентирована на север

Рис. 1.42 Видим, слышим, понимаем благодаря электро­ магнитному взаимодействию

Они называются сильное и слабое взаимодействия и дей­ствуют только в пределах микромира. Таким образом, существуют четыре различных вида взаимодействий. He много ли? Конечно, было бы гораздо удобнее иметь дело с единым универсальным видом взаимодействия. Тем более, что пример объединения различных взаимодействий - электричес­кого и магнитного - в единое электромагнитное уже имеется.

На протяжении многих десятилетий ученые пытаются создать теорию такого объединения. Некоторые шаги уже сделаны. В 60-х годах XX века удалось создать теорию так называемого электрослабого взаимодействия, в рамках которой были объединены электромагнитное и слабое взаимодействия. Ho до полного («великого») объединения всех видов взаимодействия еще далеко. Поэтому у каждого из вас есть шанс совершить научное откры­тие мирового значения!

• Подводим итоги

Взаимодействием в физике называется действие тел или частиц друг на друга. Мы коротко охарактеризовали два вида взаимодействия из четы­рех, известных науке: гравитационное и электромагнитное.

Притяжение тел к Земле, планет к Солнцу и наоборот - это примеры проявления гравитационного взаимодействия.

Примером электрического взаимодействия является взаимодействие на­электризованного воздушного шарика с листочками бумаги. Примером маг­нитного взаимодействия служит взаимодействие стрелки компаса с Землей, которая также является магнитом, в результате чего один конец стрелки всегда указывает на север, а второй - на юг.

Электрическое и магнитное взаимодействия - это проявления единого электромагнитного взаимодействия.

• Контрольные вопросы

1. Приведите примеры взаимодействия тел.

2. Какие виды взаимо­действий существуют в природе?

3. Приведите примеры гравитацион­ного взаимодействия.

4. Кто открыл закон, согласно которому между всеми телами во Вселенной существует взаимное притяжение?

5. При­ведите примеры электромагнитного взаимодействия.

• Упражнение

Напишите короткое сочинение на тему «Мой опыт, подтверждающий взаимодействие тел» (это могут быть даже стихи!).

• Физика и техника в Украине

Значительную часть своей короткой жизни Лев Васильевич Шубников (1901- 1945) прожил в Харькове, где возглавлял лабо­раторию низких температур. Уровень точности многих измерений в лаборатории не уступал современному. В лаборатории в 30-х го­дах были получены кислород, азот и другие газы в жидком состоя­нии. Шубников был родоначальником исследования металлов в так называемом сверхпроводимом состоянии, когда электрическое сопростивление материалу равно нулю. Наивысшая награда для уче­ного - это когда для названия открытого им явления используют вместо технического термина фамилию самого ученого. «Эффект Шубникова- де Гааза»; «фаза Шубникова»; «метод Обреимова- Шубникова» - это лишь несколько примеров вклада известного украинского ученого в строительство современной физики.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. - X.: Издательство «Ранок», 2007. - 192 с.: ил.