Силы в природе: сила упругости

Сухое трение имеет  ещё одну существенную особенность: наличие трения покоя. В жидкости или газе трение возникает только при движении тела, и тело можно сдвинуть, приложив к нему даже очень маленькую силу. Однако при сухом трении тело начинает двигаться только тогда, когда проекция приложенной к нему силы F на плоскость, касательную к поверхности, на которой лежит тело, станет больше некоторой величины. Пока тело не начало скользить, действующая на него сила трения равна касательной составляющей приложенной силы и направлена в противоположную сторону.  

Вот ещё примеры, когда хотят вытащить гвоздь из стенки без помощи клещей, его сгибают и тащат, поворачивая одновременно вокруг оси. По той же причине при резком торможении автомобиль теряет управление и машину “заносит”: колёса скользят по дороге, за счёт неровностей дороги возникает боковая сила.  

Обычно считают, что, для того чтобы сдвинуть тело с места, по нему нужно приложить большую силу, чем для того, чтобы тащить тело. В большинстве случаев это связано с загрязнениями поверхностей трущихся тел. Так, для чистых металлов такого скачка силы трения не наблюдается.   

При равномерном движении смычка скрипки струна увлекается им и натягивается. Вместе с натяжением струны увеличивается сила трения между смычком и струной. Когда величина силы трения становится максимально возможной, струна начинает проскальзывать относительно смычка. Если бы сила трения не зависела от относительной скорости смычка и струны, то, очевидно, отклонение струны от положения равновесия не изменялось бы. Но при проскальзывании трение уменьшается, поэтому струна начинает двигаться к положению равновесия. При этом относительная скорость струны увеличивается, а это ещё уменьшает силу трения. Когда же струна, совершив колебания, движетсяв обратном направлении, её скорость относительно смычка уменьшается смычёк опять захватывает струну, и всё повторяется сначала. Так возбуждаются колебания струны. Эти колебания незатухающие, поскольку энергия, потерянная струной при её движении, каждый раз восполняется работой силы трения, подтягивающей струну до положения, при котором струна срывается.

Этим можно  и закончить тему о сухом трении – явлении, природу которого мы ещё не понимаем достаточно хорошо, но умеем описывать с помощью законов, выполняющихся с удовлетворительной точностью. Это даёт нам возможность объяснять многие физические явления и делать необходимые расчёты. 

Сила  тяготения. 

Силой тяготения называется сила, действующая на любое находящееся вблизи земной поверхности тело 

Все весомые  тела взаимно испытывают тяготение, эта сила обуславливает движение планет вокруг солнца и спутников  вокруг планет. Теория гравитации теория созданная Ньютоном, стояла у колыбели современной науки. Другая теория гравитации, разработанная Эйнштейном, является величайшим достижением теоретической физики 20 века. В течение столетий развития человечества люди наблюдали явление взаимного притяжения тел и измеряли его величину; они пытались поставить это явление себе на службу, превзойти его влияние, и, наконец, уже в самое последнее время рассчитывать его с чрезвычайной точностью во время первых шагов вглубь Вселенной.

Необозримая сложность окружающих нас тел обусловлена, прежде всего, такой многоступенчатой структурой, конечные элементы которой элементарные частицы обладают сравнительно небольшим числом видов взаимодействия. Но эти виды взаимодействия резко отличаются по своей силе. Частицы, образующие атомные ядра, связаны между собой самыми могучими из всех известных нам сил; для того чтобы отделить эти частицы друг от друга, необходимо затратить колоссальное количество энергии. Электроны в атоме связаны с ядром электромагнитными силами; достаточно сообщить им весьма скромную энергию, (как правило, достаточно энергии химической реакции) как электроны уже отделяются от ядра. Если говорить об элементарных частицах и атомах, то для них самым слабым взаимодействием является гравитационное взаимодействие.

При сопоставлении  с взаимодействием элементарных частиц гравитационные силы настолько  слабы, что это трудно себе представить. Тем не менее, они и только они  полностью регулируют движение небесных тел. Это происходит потому, что тяготение сочетает в себе две особенности, из-за которых его действие усиливается, когда мы переходим к крупным телам. В отличие от атомного взаимодействия, силы гравитационного притяжения ощутимы и на больших удаленьях от созидающих их тел. Кроме того, гравитационные силы это всегда силы притяжения, то есть, тела всегда притягиваются друг к другу.

Развитие теории гравитации произошло в самом  начале становления современной  науки на примере взаимодействия небесных тел. Задачу облегчило то, что небесные тела движутся в вакууме мирового пространства без побочного влияния других сил. Блестящие астрономы Галилей и Кеплер подготовили своими трудами почву для дальнейших открытий в этой области. В дальнейшем великий Ньютон сумел придумать целостную теорию и придать ей математическую форму.

Тяготение во времени  и пространстве.  

В теории тяготения  Ньютона ускорение тяготения, вызываемое заданной большой массой, пропорционально  этой массе и обратно пропорционально  квадрату расстояния от этой массы. Тот  же самый закон можно сформулировать немного иначе, но при этом мы сможем выйти на релятивистский закон тяготения. Эта иная формулировка опирается на представление о гравитационном поле как о чем-то таком, что впечатано в окрестность большой гравитирующей массы. Поле можно полностью описать, задавая в каждой точке пространства вектор, величина и направление которого соответствуют тому гравитационному ускорению. Которое приобретает любое пробное тело, помещенное в эту точку. Можно описать поле тяготения графически, проводя в нем кривые, касательная к которым в каждой точке пространства совпадает с направлением локального поля тяготения (ускорения) ; эти кривые проводятся с плотностью (определенное число кривых на единицу площади поперечного сечения) , равной величине локального поля. Если рассматривается одна большая масса, такие кривые их называют силовыми линиями оказываются прямыми линиями; эти прямые указывают прямо на тело, создающее поле тяготения.

Обратно пропорциональная зависимость от квадрата расстояния выражается графически так: все силовые линии начинаются на бесконечности и заканчиваются на больших массах. Если плотность силовых линий равна величине ускорения, число линий, проходящих через сферическую поверхность, центр которой расположен на большой массе, как раз равно плотности силовых линий, умноженной на площадь сферической поверхности радиуса r; площадь сферической поверхности пропорциональна квадрату его радиуса. В общем случае ньютоновский закон обратной зависимости от квадрата расстояния может быть приведен в такой форме, которая в равной степени пригодна для источника тяготения в виде одной большой массы и для произвольного распределения масс: все силовые линии гравитационного поля начинаются на бесконечности и оканчиваются на самих массах. Полное число силовых линий, оканчивающихся в некоторой области, содержащей массы, пропорционально полной массе, заключенной в этой области. Кроме того, гравитационное поле поле консервативное: силовые линии не могут принимать форму замкнутых кривых, а перемещение пробного тела вдоль замкнутой кривой не может привести ни к выигрышу, ни к потере энергии.

В релятивистской теории гравитации роль источников отводится  комбинациям массы и импульса (импульс выступает связующим  звеном между состоянием одного и  того же объекта в разных четырехмерных или, лоренцевых, системах отсчета) . Неоднородности релятивистского поля тяготения описываются тензором кривизны. Тензор представляет собой математический объект, полученный обобщением представления о векторах. В многообразии, описываемом с помощью координат, тензорам можно сопоставить компоненты, полностью определяющие тензор. Релятивистская теория связывает тензор кривизны с тензором, описывающим поведение источников тяготения. Эти тензоры пропорциональны друг другу. Коэффициент пропорциональности определяется из требования: закон тяготения в тензорной форме должен сводиться к ньютоновскому закону тяготения для слабых гравитационных полей и при малых скоростях тел; этот коэффициент пропорциональности с точностью до мировых констант равен постоянной тяготения Ньютона. Этим шагом Эйнштейн завершил построение теории тяготения, называемой иначе общей теорией относительности.

Общая теория относительности  дала возможность несколько иначе  взглянуть на вопросы, связанные  с гравитационными взаимодействиями. Она включила в себя всю ньютоновскую механику только как частный случай при малых скоростях движения тел. При этом открылась широчайшая область для исследования Вселенной, где силы тяготения играют решающую роль. 
 

Сила  сопротивления среды. 

Если твердое тело находится внутри жидкости или газа, то вся его поверхность все время соприкасается с частицами жидкости или газа. При движении тела на него со стороны жидкости или газа действуют силы, направленные навстречу движению. Эти силы называют сопротивлением среды. Как и силы трения, сопротивление среды всегда направлено против движения. Сопротивление среды можно рассматривать как один из видов сил трения. 

Особенностью  сил трения в жидкости или газе является отсутствие трения покоя. Твердое  тело, лежащее на другом твердом теле, может быть сдвинуто с места, только если к нему приложена достаточно большая сила, превосходящая наибольшую силу трения покоя. При меньшей силе твердое тело с места не сдвинется, сколько бы времени эта сила ни действовала. Картина получается иной, если тело находится в жидкости. В этом случае, чтобы сдвинуть с места тело, достаточно сколь угодно малых сил: хотя и очень медленно, но тело начнет двигаться. Человек вообще никогда не сдвинет с места голыми руками камень весом в сто тонн. В то же время баржу весом в сто тонн, плавающую на воде, один человек, хотя и очень медленно, но все же сможет двигать.Однако по мере увеличения скорости сопротивление среды сильно увеличивается, так что, сколько бы времени данная сила ни действовала, она не сможет разогнать тело до большой скорости. 

Рассмотрим теперь, как сопротивление среды изменяет законы падения тел в воздухе. 

При падении  в воздухе тело движется под действием  двух сил: постоянной силы земного притяжения Р, направленной вертикально вниз, и силы сопротивления воздуха f, увеличивающейся по мере падения и направленной вертикально вверх. Равнодействующая силы тяжести и силы сопротивления воздуха равна их разности и в начале падения направлена вниз. 

Пока скорость падающего тела еще мала, невелика и сила сопротивления воздуха; но по мере того, как возрастает скорость падения, эта сила быстро растет. При некоторой скорости f становится равным Р, и дальше тело падает равномерно. Скорость такого падения называют предельной скоростью падения. Предельная скорость тем больше, чем сильнее разрежен воздух. Поэтому тело, падающее с очень большой высоты, может в разреженных слоях атмосферы приобрести скорость, большую предельной скорости для нижних (плотных) слоев. Войдя в нижние слои атмосферы, тело снизит свою скорость до значения предельной скорости для нижних слоев.

Сопротивление воздуха изменяет также и характер движения тел, брошенных вверх. При  движении тела вверх и сила земного  притяжения, и сила сопротивления  воздуха направлены вниз. Поэтому скорость тела убывает быстрее, чем это происходило бы в отсутствие воздуха. Вследствие этого тело, брошенное вверх с начальной скоростью v0, не достигает высоты  (как это было бы при отсутствии сопротивления) и уже на меньшей высоте начинает падать обратно. При падении вниз сопротивление воздуха уменьшает нарастание скорости. В результате тело, брошенное вверх, всегда возвращается назад с меньшей скоростью, чем оно было брошено. Таким образом, при обратном падении на землю, средняя скорость движения меньше, чем при подъеме, и поэтому время обратного падения на землю больше времени подъема. 

Влияние сопротивления  воздуха особенно велико при больших  скоростях (так как сила сопротивления  быстро растет со скоростью). Так, например, при выстреле из винтовки вертикально вверх пуля, вылетающая с начальной скоростью 600 м/сек, должна была бы в отсутствие воздуха достичь высоты, равной 

В действительности пуля достигает высоты только 2—3 км. При падении обратно скорость пули возрастает лишь до 50—60 м/сек. С  этой предельной скоростью пуля и достигает земли.

Сопротивление, оказываемое жидкостями или вообще какой-либо средой, движению тела, представляется в общем одним из самых сложных  вопросов. 

Сила  инерции. 

Сила инерции (также инерционная сила) — термин, широко применяемый в различных значениях в точных науках, а также в философии, истории, публицистике и художественной литературе. 

В точных науках сила инерции обычно представляет собой  понятие, привлекаемое в целях удобства при рассмотрении движения материальных тел в неинерциальной системе отсчёта. Частными случаями такой силы инерции являются центробежная сила и сила Кориолиса. Кроме того, силу инерции применяют для формальной возможности записывать уравнения динамики как более простые уравнения статики (кинетостатика, основанная на принципе Д’Аламбера. 

Вне контекста  физики или математики термин «сила  инерции» обычно означает некоторое  свойство рассматриваемого явления, которое  затрудняет изменения и, тем самым, обеспечивает поддержание status quo. В  этом употреблении смысл термина зачастую никак не связан с физическим перемещением (изменением положения в пространстве) и понятием силы