Министерство  образования Республики Башкортостан

ГАОУ  СПО Уфимский топливно-энергетический колледж 

Самостоятельная работа на тему:

         «Силы в природе: сила упругости» 
 
 
 

                                                                          
 

                                                                       Выполнил: Гец А.С                  

                                                       Проверила: Биктимерова И.М  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Уфа 2011 год

                                           Оглавление:

1. Введение                 3
2. Силы в природе                    5             
• Сила упругости        5 
• Сила трения                                                          6                          
• Сила тяготения               10 
• Сила сопротивления среды                                12
• Сила инерции                                                        13
• Гравитационное взаимодействие                        14

         3. Список литературы                                               17 
 
 
 
 
 
 
 
 

                          

                           

                                

                                 Введение

Современные достижения физики высоких энергий все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют составных частей. Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов - это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы, также обладают внутренней структурой и, следовательно, не являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим примером элементарной частицы является квант света - фотон. Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы. Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия. Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами.При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние. В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Силы  в природе: 

Сила  упругости. 

Силы, возникающие в  теле при его упругой  деформации и направленные против направления  смещения частиц тела, вызываемого деформацией, называют силами упругости. 

В процессе взаимодействия тела, оставаясь в целом неподвижными, могут изменять свои форму и размеры. Под действием внешних сил  частицы (молекулы, атомы, ионы и др.), из которых состоят тела, могут  упорядоченным образом смещаться. При этом тела могут не только изменять свои размеры и форму, но и разрываться на части. Изменение формы или размеров тела при внешнем воздействии называется деформацией.

Надавим ладонью  на любой упругий предмет, например мяч, Мяч деформируется, ладонь —  тоже. Это означает, что на нее действует сила со стороны деформированного мяча. Эту силу называю силой упругости. Она возникает при деформации тела и направлена противоположно направлению смещения частиц деформированного тела.  

Деформации  различают по видам

 

 

Деформации бывают упругими и пластическими. Упругая  деформация полностью исчезает после  прекращения действия силы, ее вызывающей. Тело восстанавливает свою форму  и размеры. При пластической деформации форма полностью или частично не восстанавливается. Изогнем стальную линейку и отпустим ее (соблюдая, конечно, технику безопасности). Она распрямится и примет первоначальную форму. Следовательно, деформация была упругой. Повторим опыт со стальной линейкой, но на этот раз согнем ее сильнее (если не жалко). Увидим, что линейка полностью не выпрямилась, т. е. в ней сохранилась оста точная деформация.

Во всех телах  может наблюдаться как пластическая, так и упругая деформация. Отличие  лишь в том, что одни тела обладают в большей степени упругими свойствами, а другие — пластичными свойствами. 

При деформациях  твердого тела его частицы (атомы, молекулы, ионы), находящиеся в узлах кристаллической  решетки, смещаются из своих положений  равновесия. Этому смещению противодействуют силы взаимодействия между частицами твердого тела, удерживающие эти частицы на определенном расстоянии друг от друга. Поэтому при любом виде упругой деформации в теле возникают внутренние силы, препятствующие его деформации.

Силы упругости  препятствуют изменению размеров и формы тела. Силы упругости действуют в любом сечении деформированного тела, а также в месте его контакта с телом, вызывающим деформации 

Важная особенность  силы упругости состоит в том, что она направлена перпендикулярно  поверхности соприкосновения тел, а если идет речь о таких телах, как деформированные пружины, сжатые или растянутые стержни, шнуры, нити, то сила упругости направлена вдоль их осей. В случае одностороннего растяжения или сжатия сила упругости направлена вдоль прямой, по которой действует внешняя сила, вызывающая деформацию тела, противоположно направлению этой силы и перпендикулярно поверхности тела. 
 

Сила  трения. 

Тре́ние — процесс взаимодействия твёрдых тел при  их относительном  движении (смещении) либо при движении твёрдого тела в газообразной или жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием (англ. friction). Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией. 

Виды

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

Трение скольжения — сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих  тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.

Трение качения  — момент сил, возникающий при  качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих  тел относительно другого.

Трение покоя  — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения. 

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и  шагу ступить не можем. Но несмотря на ту большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина возникновения трения. Это связано даже не с тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы.   

Когда говорят  о трении, различают три несколько  отличных физических явления: сопротивление  при движении тела в жидкости или  газе – его называют жидким трением; сопротивление, возникающее, когда  тело скользит по какой-нибудь поверхности, – трение скольжения, или сухое трение; сопротивление, возникающее при качении тела, – трение качения.  

Движению тела обычно препятствуют силы трения. Если соприкасаются поверхности твёрдых  тел, их относительному движению мешают силы сухого трения. Характерной особенностью сухого трения является существование зоны застоя. Тело нельзя сдвинуть с места, пока абсолютная величина внешней силы не превысит определённого значения. До этого момента между поверхностями соприкасающихся тел действует сила трения покоя, которая уравновешивает внешнюю силу и растёт вместе с ней. Максимальное значение силы трения покоя определяется формулой   

|¦тр max| = µ  |N | 

где m- коэффициент  трения, зависящий от свойств соприкасающихся  поверхностей;  

N – сила нормального  давления.  

Когда абсолютная величина внешней силы превышает  значение |¦тр max|, возникает относительное  движение – проскальзывание. Сила трения скольжения обычно слабо зависит  от скорости относительного движения, и при малых скоростях её можно  считать равной |¦тр max|.  

Движению тела в жидкости и газе препятствует сила жидкого трения. Главное отличие  жидкого трения от сухого – отсутствие зоны застоя. В жидкости или газе не возникает силы трения покоя, и  поэтому даже малая внешняя сила способна вызвать движение тела.  

Первые исследования трения, о которых мы знаем, были проведены Леонардо да Винчи примерно 500 лет назад. Он измерял силу трения, действующую на деревянные параллепипеды, скользящие по доске, причём, ставя  бруски на разные грани, определял зависимость силы трения от площади опоры. Но работы Леонардо да Винчи стали известны уже после того, как классические законы трения были вновь открыты французскими учёными Амонтоном и Кулоном в XVII – XVIII веках. Вот эти законы:  

1. Величина силы  трения F прямо пропорциональна величине силы нормального давления N тела на поверхность, по которой движется тело, т.е. F = m N;  

2. Сила трения  не зависит от площади контакта  между поверхностями;  

3. Коэффициент  трения зависит от свойств  трущихся поверхностей;  

4. Сила трения не зависит от скорости движения тела.  

Вот пример. Английский физик Гарди исследовал зависимость  силы трения между стеклянными пластинками  от температуры. Он тщательно обрабатывал  пластинки хлорной известью и  обмывал их водой, удаляя жиры и загрязнения. Трение увеличивалось с температурой. Опыт был повторён много раз, и каждый раз получались примерно одни и те же результаты. Но однажды, моя пластинки, Гарди протер их пальцами – трение перестало зависеть от температуры. Протерев пластинки, Гарди, как он сам считал, удалил с них очень тонкий слой стекла, изменивший свои свойства из-за взаимодействия с хлоркой и водой.   

Механизм трения очень сложен. Обсудим такую модель. Из-за неровностей поверхностей они  касаются друг друга только в отдельных  точках на вершинах выступов. Здесь молекулы соприкасающихся тел подходят на расстояния, соизмеримые с расстоянием между молекулами в самих телах, и сцепляются. Образуется прочная связь, которая рвётся при нажиме на тело. При движении тела связи постоянно возникают и рвутся. При возникают колебания молекул. На эти колебания и тратится энергия.   

Площадь действительного  контакта обычно порядка тысяч квадратных микронов. Она практически не зависит  от размеров тела и определяется природой поверхностей, их обработкой, температурой и силой нормального давления. Если на тело надавить, то выступы сминаются, и площадь действительного контакта увеличивается. Увеличивается и сила трения.   

При значительной шероховатости поверхностей большую  роль в увеличении силы трения начинает играть механическое зацепление между “холмами”. Они при движении сминаются, и при этом тоже возникают колебания молекул.  

Теперь понятен  опыт с полированными стеклянными  пластинками. Пока поверхности были “грубые”, число контактов было не велико, а после хорошей полировки оно возросло. Можно привести ещё пример увеличения трения с улучшением поверхности. Если взять два металлических бруска с чистыми полированными поверхностями, то они слипаются. Трение здесь становится очень большим, так как площадь действительного контакта велика. Силы молекулярного сцепления, которые ответственны за трение, превращают два бруска в монолит.