Формула сілы. Сіла - формула (фізіка)

Слова "сіла" настолькі усёабдымна, што даць яму дакладнае паняцце - задача практычна невыканальная. Разнастайнасць ад сілы цягліц да сілы розуму пазбавіў ахоплівае ўвесь спектр ўкладзеных у яго паняццяў. Сіла, разгледжаная як фізічная велічыня, мае выразна пэўнае значэнне і вызначэнне. Формула сілы задае матэматычную мадэль: залежнасць сілы ад асноўных параметраў.

Гісторыя даследавання сіл ўключае вызначэнне залежнасці ад параметраў і эксперыментальнае доказ залежнасці.

Сіла ў фізіцы

Сіла - мера ўзаемадзеяння тэл. Ўзаемнае дзеянне тэл адзін на аднаго цалкам апісвае працэсы, звязаныя са змяненнем хуткасці або дэфармацыяй тэл.

Як фізічная велічыня сіла мае адзінку вымярэння (у сістэме СІ - Ньютан) і прыбор для яе вымярэння - дынамометрамі. Прынцып дзеяння силомера заснаваны на параўнанні сілы, якая дзейнічае на цела, з сілай пругкасці спружыны дынамометрамі.

За сілу ў 1 ньютан прынятая сіла, пад дзеяннем якой цела масай 1 кг змяняе сваю хуткасць на 1 м за 1 секунду.

Сіла як вектарная велічыня вызначаецца:

• напрамкам дзеяння;
• кропкай прыкладання;
• модулем, абсалютнай велічынёй.

Апісваючы ўзаемадзеянне, абавязкова паказваюць гэтыя параметры.

Віды прыродных узаемадзеянняў: гравітацыйныя, электрамагнітныя, моцныя, слабыя. Гравітацыйныя сілы (сіла сусветнага прыцягнення з яе разнавіднасцю - сілай цяжару) існуюць дзякуючы ўплыву гравітацыйных палёў, навакольных любое цела, якое мае масу. Даследаванне палёў гравітацыі не скончана да гэтага часу. Знайсці крыніца поля пакуль не ўяўляецца магчымым.

Большы шэраг сіл ўзнікае з прычыны электрамагнітнага ўзаемадзеяння атамаў, з якіх складаецца рэчыва.

сіла ціску

Пры ўзаемадзеянні цела з Зямлёй яно аказвае ціск на паверхню. Сіла ціску, формула якой мае выгляд: P = mg, вызначаецца масай цела (m). Паскарэнне вольнага падзення (g) мае розныя значэнні на розных шыротах Зямлі.

Сіла слаба ціску роўная па модулю і процілеглая па кірунку сіле пругкасці, якая ўзнікае ў апоры. Формула сілы пры гэтым змяняецца ў залежнасці ад руху цела.

Змена вагі цела

Дзеянне цела на апору з прычыны ўзаемадзеяння з Зямлёй часцей называюць вагой цела. Цікава, што велічыня вагі цела залежыць ад паскарэння руху ў вертыкальным кірунку. У тым выпадку, калі кірунак паскарэння процілегла паскарэнню свабоднага падзення, назіраецца павелічэнне вагі. Калі паскарэнне цела супадае з кірункам вольнага падзення, то вага цела памяншаецца. Да прыкладу, знаходзячыся ў падымацца ліфце, у пачатку ўздыму чалавек адчувае павелічэнне вагі некаторы час. Сцвярджаць, што яго маса мяняецца, не прыходзіцца. Пры гэтым падзяляем паняцця "вага цела» і яго «маса».

сіла пругкасці

Пры змене формы цела (яго дэфармацыі) з'яўляецца сіла, якая імкнецца вярнуць целе яго першапачатковую форму. Гэтай сіле далі назву "сіла пругкасці". Узнікае яна з прычыны электрычнага ўзаемадзеяння часціц, з якіх складаецца цела.

Разгледзім найпростую дэфармацыю: расцяжэнне і сціск. Расцяжэнне суправаджаецца павелічэннем лінейных памераў тэл, сціск - іх памяншэннем. Велічыню, якая характарызуе гэтыя працэсы, называюць падаўжэннем цела. Абазначым яе "x". Формула сілы пругкасці напрамую звязана з падаўжэннем. Кожнае цела, падвяргаецца дэфармацыі, мае ўласныя геаметрычныя і фізічныя параметры. Залежнасць пругкага супраціву дэфармацыі ад уласцівасцяў цела і матэрыялу, з якога яно выраблена, вызначаецца каэфіцыентам пругкасці, назавем яго калянасцю (k).

Матэматычная мадэль пругкага ўзаемадзеяння апісваецца законам Гука.

Сіла, якая ўзнікае пры дэфармацыі цела, накіраваная супраць напрамкі зрушэння асобных частак цела, прама прапарцыйная яго падаўжэння:

• _F y = -kx (у вектарнай запісу).

Знак «-» кажа аб супрацьлегласці напрамкі дэфармацыі і сілы.

У скалярнай форме адмоўны знак адсутнічае. Сіла пругкасці, формула якой мае наступны выгляд _F y = kx, выкарыстоўваецца толькі пры пругкіх дэфармацыях.

Узаемадзеянне магнітнага поля з токам

Ўплыў магнітнага поля на пастаянны ток апісваецца законам Ампера. Пры гэтым сіла, з якой магнітнае поле дзейнічае на праваднік з токам, змешчаны ў яго, называецца сілай Ампера.

Узаемадзеянне магнітнага поля з рухомым электрычным зарадам выклікае сілавое праява. Сіла Ампера, формула якой мае выгляд F = IBlsinα, залежыць ад магнітнай індукцыі поля (У), даўжыні актыўнай часткі правадыра (l), сілы току (I) у правадыру і кута паміж кірункам току і магнітнай індукцыяй.

Дзякуючы апошняй залежнасці можна сцвярджаць, што вектар дзеяння магнітнага поля можа змяніцца пры павароце правадніка ці змене кірунку току. Правіла левай рукі дазваляе ўсталяваць кірунак дзеяння. Калі левую руку размясціць такім чынам, каб вектар магнітнай індукцыі уваходзіў у далонь, чатыры пальца былі накіраваныя па току ў правадыру, то адагнуты на 90 ^° вялікі палец пакажа кірунак дзеяння магнітнага поля.

Прымяненне гэтаму ўздзеянню чалавецтвам знойдзена, да прыкладу, у электрарухавіках. Кручэнне ротара выклікаецца магнітным полем, створаным магутным электрамагнітам. Формула сілы дазваляе меркаваць аб магчымасці змены магутнасці рухавіка. З павелічэннем сілы току або велічыні поля круцільныя момант ўзрастае, што прыводзіць да павелічэння магутнасці рухавіка.

траекторыі часціц

Узаемадзеянне магнітнага поля з зарадам шырока выкарыстоўваецца ў мас-спектрограф пры даследаванні элементарных часціц.

Дзеянне поля пры гэтым выклікае з'яўленне сілы, названай сілай Лорэнца. Пры трапленні ў магнітнае поле рухаецца з некаторай хуткасцю зараджанай часціцы сіла Лорэнца, формула якой мае выгляд F = vBqsinα, выклікае рух часціцы па акружнасці.

У гэтай матэматычнай мадэлі v - модуль хуткасці часціцы, электрычны зарад якой - q, В - магнітная індукцыя поля, α - кут паміж напрамкамі хуткасці і магнітнай індукцыі.

Часціца рухаецца па акружнасці (альбо дузе акружнасці), так як сіла і хуткасць накіраваны пад вуглом 90 ^° адно да аднаго. Змена кірунку лінейнай хуткасці выклікае з'яўленне паскарэння.

Правіла левай рукі, разгледжаная вышэй, мае месца і пры вывучэнні сілы Лорэнца: калі левую руку размясціць такім чынам, каб вектар магнітнай індукцыі уваходзіў у далонь, чатыры пальца, выцягнутых у лінію, былі накіраваны па хуткасці станоўча зараджанай часціцы, то адагнуты на 90 ^° вялікі палец пакажа кірунак дзеяння сілы.

праблемы плазмы

Узаемадзеянне магнітнага поля і рэчывы выкарыстоўваецца ў цыклатрон. Праблемы, звязаныя з лабараторным вывучэннем плазмы, не дазваляюць утрымліваць яе ў замкнёных сасудах. Высока іянізаванай газ можа існаваць толькі пры высокіх тэмпературах. Ўтрымаць плазму ў адным месцы прасторы можна з дапамогай магнітных палёў, закручваючы газ у выглядзе кольца. Кіраваныя тэрмаядзерныя рэакцыі можна вывучаць, таксама закручваючы высокатэмпературную плазму ў шнур пры дапамозе магнітных палёў.

Прыклад дзеяння магнітнага поля ў натуральных умовах на іянізаванай газ - Палярнае ззянне. Гэта велічнае відовішча назіраецца за палярным кругам на вышыні 100 км над паверхняй зямлі. Загадкавае маляўнічае свячэнне газу патлумачыць змаглі толькі ў ХХ стагоддзі. Магнітнае поле зямлі паблізу палюсоў не можа перашкаджаць пранікненню сонечнага ветру ў атмасферу. Найбольш актыўны выпраменьванне, накіраванае ўздоўж ліній магнітнай індукцыі, выклікае іянізацыю атмасферы.

З'явы, звязаныя з рухам зарада

Гістарычна склалася так, што асноўнай велічынёй, характарызавалай праходжанне току ў правадыру, называюць сілу току. Цікава, што гэтае паняцце нічога агульнага з сілай у фізіцы не мае. Сіла току, формула якой ўключае зарад, працякаючая за адзінку часу праз папярочны перасек правадыра, мае выгляд:

• I = q / t, дзе t - час праходжання зарада q.

Фактычна, сіла току - велічыня зарада. Адзінкай яе вымярэння з'яўляецца Ампер (А), у адрозненне ад Н.

Вызначэнне работы сілы

Сілавое ўздзеянне на рэчыва суправаджаецца здзяйсненнем працы. Праца сілы - фізічная велічыня, лікава роўная твору сілы на перасоўванне, пройдзеная пад яе дзеяннем, і косінус кута паміж напрамкамі сілы і перамяшчэння.

Шуканая праца сілы, формула якой мае выгляд A = FScosα, уключае велічыню сілы.

Дзеянне цела суправаджаецца змяненнем хуткасці цела або дэфармацыяй, што кажа аб адначасовых зменах энергіі. Праца сілы напрамую залежыць ад велічыні.