К чему приводит взаимодействие тел. Взаимодействие тел. Сила. Законы Ньютона

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 - это действие, которое взаимно. Все тела способны между собой взаимодействовать при помощи инерции, силы, плотности вещества и, собственно, взаимодействия тел. В физике действие двух тел или системы тел друг на друга называется взаимодействием. Известно, что при сближении тел меняется характер их поведения. Эти изменения носят взаимный характер. При разведении тел на значительные расстояния взаимодействия исчезают.

При взаимодействии тел его результат всегда ощущают на себе все тела (ведь при воздействии на что-то всегда следует отдача). Так, например, в бильярде при ударе кием по шару последний отлетает намного сильнее, чем кий, что объясняется инертностью тел. Виды и мера взаимодействия тел определяются именно этой характеристикой. Одни тела менее инертны, другие более. Чем больше масса тела, тем больше его инертность. Тело, при взаимодействии изменяющее свою скорость медленнее, имеет большую массу и более инертно. Тело, быстрее изменяющее свою скорость, имеет меньшую массу и является менее инертным.

Сила - это мера, измеряющая взаимодействие тел. Физика выделяет четыре вида взаимодействий, не сводящихся друг к другу: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Чаще всего взаимодействие тел совершается при их соприкосновении, которое ведет к изменению скоростей данных тел в что измеряется действующей между ними силой. Так, чтобы привести в движение заглохший автомобиль, подталкиваемый руками, необходимо приложить силу. Если его необходимо толкать в гору, то делать это гораздо тяжелее, поскольку для этого понадобится большая сила. Лучшим вариантом при этом будет прикладывание силы, направленной вдоль дороги. В данном случае указываются величина и направление силы (отметим, сила является векторной величиной).

Взаимодействие тел происходит также под действием механической силы, следствием которой является механическое перемещение тел или их частей. Сила не является предметом созерцания, она причина движения. Всякое действие одного тела по отношению к другому проявляет себя в движении. Примером действия механической силы, порождающей движение, служит так называемый эффект "домино". Искусно расставленные костяшки домино падают одна за другой, передавая движение дальше по ряду, если толкнуть первую костяшку. Происходит передача движения от одной инертной фигурки к другой.

Взаимодействие тел при соприкосновении может приводить не только к замедлению или ускорению их скоростей, но и к их деформации - изменению объема или формы. Ярким примером может служить лист бумаги, сжатый в руке. Действуя на него силой, мы приводим к ускоренному движению частей данного листа и его деформации.

Любое тело сопротивляется деформации, когда его пытаются растянуть, сжать, согнуть. Со стороны тела начинают действовать силы, препятствующие этому (упругость). Сила упругости проявляется со стороны пружины в момент ее растяжения или сжимания. Груз, который тянут по земле за веревку, ускоряется, потому что действует сила упругости растянутого шнура.

Взаимодействие тел во время скольжения вдоль разделяющей их поверхности не вызывает их деформации. В случае, например, скольжения карандаша по гладкой поверхности стола, лыж или санок по утрамбованному снегу, действует сила, препятствующая скольжению. Это сила трения, зависящая от свойств поверхностей взаимодействующих тел и от прижимающей их друг к другу силы.

Взаимодействие тел может происходить и на расстоянии. Действие называемых также гравитационными, происходит между всеми телами вокруг, что может быть заметно лишь тогда, когда тела имеют размеры звезд или планет. формируется из гравитационного притяжения любого астрономического тела и которые вызваны их вращением. Так, Земля притягивает к себе Луну, Солнце притягивает Землю, поэтому Луна совершает обороты вокруг Земли, а Земля, в свою очередь, вращается вокруг Солнца.

На расстоянии действуют также электромагнитные силы. Несмотря на отсутствие касания какого-либо тела, стрелка компаса всегда будет поворачиваться вдоль линии магнитного поля. Примером действия электромагнитных сил является и нередко возникающее на волосах при расчесывании. Разделение зарядов на них происходит из-за силы трения. Волосы, заряжаясь положительно, начинают отталкиваться друг от друга. Подобная статика часто возникает при надевании свитера, ношении головных уборов.

Теперь вы знаете о том, что такое взаимодействие тел (определение оказалось довольно развернутым!).

>> 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.