Что такое сила в физике? понятие и формулы силы

Сила – причина изменения скорости

Действительно, стоит разобраться, что такое сила в физике, ведь есть сила характера, сила воли, сила разума, но это не физические категории.

Известно, что при взаимодействии двух тел происходит изменение скорости

В механике важно, как движется тело, чтобы определить его местоположение в нужный момент времени. Для этого нужно знать, что явилось причиной движения

Скорость тела можно изменить разными способами. (Примеры из предыдущего урока: неподвижную жестяную банку сдвинуть магнитом, сбить палкой или струей воды, толкнуть рукой) На практике важен сам процесс изменения скорости.

Причину, по которой у тел изменяется скорость, называют силой. Если скорость у тела изменяется, это значит, что оно испытывает действие силы. Если нет действия силы на тело, то оно либо покоится, либо продолжает двигаться по инерции.

Сила обозначается символом F

Важно направление силы и ее численное значение, т.е. сила – величина векторная

Силу характеризует определенная точка приложения. На чертеже сила изображается стрелкой с началом в точке приложения силы. От этого тоже зависит ее действие. Легко убедиться: когда легче двигать дверь, толкая ее около свободного края или около петель. Конечно, у свободного края легче. Поэтому ручку на двери делают на краю, подальше от петель.

Если взять тело массой 1 кг и за 1 с изменить его скорость на 1 м/с, то делает это сила, принятая за единицу силы.

Эта величина силы запишется — 1 кг ∙ м/с2. Неудобно называть такую величину (килограмм, умноженный на метр, деленный на секунду в квадрате). Для удобства единицу силы стали называть ньютоном по имени английского ученого — физика Исаака Ньютона, много работавшего в области механики. Единицы, носящие имя ученых пишутся с большой буквы. Значит, 1 кг ∙ м/с2 = 1 Н.

Но силы в некоторых случаях меняют скорость не полностью всего тела, а только какой-то его части, изменив его форму. Если тяжелый предмет поставить на гибкую дощечку, то она прогнется.

Каждое изменение обычной формы тела физики называют деформацией. Здесь у части тела меняется скорость.

Таким образом, физическая величина (причем векторная), являющаяся причиной любого изменения скорости у всего тела или его части, называется силой.

А кто же действительно всех сильнее?

Среди людей – американский штангист Пол Андерсон, поднявший спиной 2844 кг в 1957 году. Рекорд не побит до сих пор.

Среди животных на земле – слон. Он несет около 12 тонн своей массы. А «царь зверей» уступает буйволам, носорогам, бегемотам.

Ньютоновская механика

Исаак Ньютон задался целью описать движение объектов, используя понятия инерции и силы. Сделав это, он попутно установил, что всякое механическое движение подчиняется общим законам сохранения . В г. Ньютон опубликовал свой знаменитый труд « », в котором изложил три основополагающих закона классической механики (знаменитые законы Ньютона).

Первый закон Ньютона

Например, законы механики абсолютно одинаково выполняются в кузове грузовика, когда тот едет по прямому участку дороги с постоянной скоростью и когда стоит на месте. Человек может подбросить мячик вертикально вверх и поймать его через некоторое время на том же самом месте вне зависимости от того движется ли грузовик равномерно и прямолинейно или покоится. Для него мячик летит по прямой. Однако для стороннего наблюдателя, находящегося на земле, траектория движения мячика имеет вид параболы . Это связано с тем, что мячик относительно земли движется во время полета не только вертикально, но и горизонтально по инерции в сторону движения грузовика. Для человека, находящегося в кузове грузовика не имеет значения движется ли последний по дороге, или окружающий мир перемещается с постоянной скоростью в противоположном направлении, а грузовик стоит на месте. Таким образом, состояние покоя и равномерного прямолинейного движения физически неотличимы друг от друга.

Второй закон Ньютона

По определению импульса:

где − масса, − скорость .

Если масса материальной точки остается неизменной, то производная по времени от массы равна нулю, и уравнение принимает вид:

Третий закон Ньютона

Для любых двух тел (назовем их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона утверждает, что сила действия тела 1 на тело 2, сопровождается появлением равной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 1 со стороны тела 2. Математически закон записывается так:

Этот закон означает, что силы всегда возникают парами «действие-противодействие». Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел равна нулю:

Это означает, что в замкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (то есть той, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением . Отдельные части системы могут ускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако в том случае, если внешние силы подействуют на систему, то ее центр масс начнет двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы.

Равнодействующая сила

С детства известна басня И.А. Крылова о том, как не могут сдвинуть воз с места три персонажа.

Предстоит выяснить, почему к телу приложены целых три силы, а скорость его не меняется.

Но сначала еще несколько случаев.

На репку в сказке «Репка» действовали силами одного направления дружные члены семьи и собачка Жучка. Силы не хватало совсем маленькой. Когда подбежала мышка, общие усилия оказались больше, и репку вытащили.

Итак, силы складываются, если они направлены в одну сторону по прямой. Их суммарная сила, называемая равнодействующей, имеет то же направление.

Теперь другой пример: состязание двух команд по перетягиванию каната. Каждая команда тянет канат в своем направлении. Некоторое время канат не движется. Вот одна из команд начинает перетягивать канат на свою сторону вместе с соперниками. Сильнейшая команда – победитель.

Сила ее оказалась по модулю больше. Равнодействующая сила находится как разность приложенных сил. Направление ее совпадает с направлением большей силы.

В истории про двух баранов, черного и белого, которые не уступили друг другу дорогу на мостике через речку, силы баранов противоположны, по величине равны. Результат ничейный.

Итак, равнодействующая сила – это результат общего действия всех приложенных к телу сил.

Теперь следует вернуться к проблеме трех персонажей басни Крылова. Действуя в разные стороны, они уравновесили свои силы. Совместные усилия дали нулевой результат. Поэтому воз стоит на месте.

Если две или более силы произвольно направлены, то они также имеют равнодействующую. И если эта равнодействующая не равна нулю, то она изменяет скорость тела. Именно равнодействующая сила в конечном итоге определяет движение тел.

В чем она измеряется и как посчитать

Сила тока измеряется в амперах – обозначение А. Ампер – одна из семи основных единиц.

1А = 1Кл/c, где Кл (или С) – это кулон, единица измерения количества электрического заряда.

Сила тока обозначается символом I (согласно первой букве французского Intensite´ du courant).

Величина ее определяется по формуле I=qn Vср S cos a, где:

q – сумма зарядов;
n – концентрация частиц;
Vср – средняя скорость их упорядоченного движения;
S – площадь проводника;
a – угол между вектором направления движения и вектором нормали (перпендикуляра) к поверхности проводника.

Ампер – единица измерения силы электрического тока.

Для участка цепи величина I рассчитывается по формуле немецкого физика Георга Ома, открывшего в 1926 г. закон взаимосвязи между силой тока, напряжением и сопротивлением проводника:

I=U/R,

U – напряжение (или падение напряжения, или разность потенциалов), измеряется в вольтах – обозначение В или V;
R – сопротивление проводника, измеряется в омах – обозначение Ом или W.

Или по формуле I=UG, где обозначение G – это проводимость или электропроводность (величина, обратная сопротивлению, измеряется в сименсах, обозначение – См или S).

Расчет для полной цепи происходит по формуле I=e/R+r, где:

e – ЭДС или электро-движущая сила в цепи, измеряется в вольтах;
R – суммарное сопротивление всех приборов, включенных в цепь;
r – внутреннее сопротивление источника напряжения.

Сила тока зависит от электрического напряжения (или разности потенциалов, или ЭДС). В случаях, когда r<>R, можно считать, что она обратно пропорциональна либо сопротивлению цепи, либо сопротивлению источника.

Закон Ома для полной цепи.

Значение I связано с показателем скорости преобразования электрической энергии – мощностью P (единицы измерения ватты -обозначение Вт или W). Для линейной цепи, в которой соблюдается закон Ома, расчет P производится по формуле:

P=IU или P=I2R=U2/R.

Сила трения

В физике этот вид силового воздействия является не менее частым, чем рассмотренные выше. Возникает трение всегда, когда объект начинает двигаться. В общем случае в физике силу трения принято относить к одному из 3-х типов:

покоя;
скольжения;
качения.

Первые два типа описываются следующим выражением:

Здесь μ — коэффициент трения, значение которого зависит, как от типа силы (покоя или трения), так и от материалов трущихся поверхностей.

Трение качения, ярким примером которого является движущееся колесо, рассчитывается по формуле:

Здесь R — радиус колеса, f — коэффициент, который отличается от μ не только значением, но и размерностью (μ безразмерен, f измеряется в единицах длины).

Любой тип силы трения всегда направлен против движения, прямо пропорционален силе N и не зависит от площади соприкосновения поверхностей.

Причиной появления трения между двумя поверхностями является наличие на них микронеоднородностей, приводящих к их «зацеплению» подобно маленьким крючочкам. Это простое объяснение является достаточно хорошей аппроксимацией реально происходящего процесса, который намного более сложен, и для глубокого понимания предполагает рассмотрение взаимодействий в атомных масштабах.

Приведенные формулы относятся к трению твердых тел. В случае же текучих субстанций (жидкости и газы) трение также присутствует, только оно уже оказывается пропорциональным скорости движения объекта (квадрату скорости при быстрых перемещениях).

Характеристика силы Лоренца

Сила Лоренца — сила воздействия магнитного поля на заряженную частицу, которая в нем движется.

Обознается как $F_л$. Для понимания этой величины необходимо узнать о природе магнитного поля. Явление объясняется двумя процессами:

заряды, двигаясь, приводят к образованию магнитного поля;
магнитное поле оказывает воздействие на движущиеся заряды.

Модуль силы Лоренца $F_л$ рассчитывается как произведение модуля индукции магнитного поля $В$, в котором пребывает заряженная частица, модуля $q$ заряда частицы, ее скорости $V$ и синуса угла $\alpha$ между направлениями скорости и вектора индукции магнитного поля. Формула имеет такой вид:

$F_{L}= B\times \left|q \right|\times V\times \sin \alpha$

Определить силу Лоренца, а точнее, ее направление, можно с помощью правила левой руки. Действовать необходимо таким образом:

левая рука должна располагаться так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь;
4 вытянутых пальца определяют направление скорости движения положительно заряженных частиц;
4 вытянутых пальца располагаются противоположно движению отрицательно заряженных частиц;
большой палец под углом 90° к ладони покажет направление силы Лоренца.

Учитывая, что $B\times \sin \alpha$ является модулем компонента вектора индукции, которая перпендикулярна скорости движения заряда, то положение ладони необходимо определять именно с помощью этого компонента. Таким образом, в открытую ладонь левой руки входит перпендикулярная составляющая к скорости заряженной частицы. Сила Лоренца действует перпендикулярно вектору скорости заряженной частицы. В этом случае подобное воздействие не меняет скорость движущейся частицы, а лишь меняет ее направление в пространстве, т.е. не совершает работы.

Проблемы плазмы

Взаимодействие магнитного поля и вещества используется в циклотронах. Проблемы, связанные с лабораторным изучением плазмы, не позволяют содержать ее в замкнутых сосудах. Высоко ионизированный газ может существовать только при высоких температурах. Удержать плазму в одном месте пространства можно посредством магнитных полей, закручивая газ в виде кольца. Управляемые термоядерные реакции можно изучать, также закручивая высокотемпературную плазму в шнур при помощи магнитных полей.

Пример действия магнитного поля в естественных условиях на ионизированный газ – Полярное сияние. Это величественное зрелище наблюдается за полярным кругом на высоте 100 км над поверхностью земли. Загадочное красочное свечение газа пояснить смогли лишь в ХХ веке. Магнитное поле земли вблизи полюсов не может препятствовать проникновению солнечного ветра в атмосферу. Наиболее активное излучение, направленное вдоль линий магнитной индукции, вызывает ионизацию атмосферы.

Как определить силу тяги двигателя. Примеры решения задач

Задача 1

Автомобиль может разгоняться до 216 км/ч. Максимальная мощность двигателя равна 96 кВт. Определите максимальную силу тяги двигателя.

Решение

Переведем киловатты в ватты, а километры в час — в метры в секунду:

$96\;\times\;1000=96000\;Вт$

$\frac{216\times1000}{3600}=60\frac мс$

$F_т\;=\;\frac N v = \frac{96000}{60} = 1600 Н$

Задача 2

Троллейбус весом 12 тонн за 5 секунд проезжает по горизонтальной дороге 10 метров. Сила трения равна 2,4 кН. Определите силу тяги, которую развивает двигатель.

Решение

Переведем тонны в килограммы, а килоньютоны в ньютоны:

$12\;\times\;1000=12000\;кг$

$2,4\;\times\;1000=2400\;Н$

$F_т-\;F_{тр}=m\;\times\;a$, следовательно, $F_т=m\times a\;+\;F_{тр}$

Чтобы определить ускорение а, воспользуемся формулой $s\;=\;\frac{at^2}2$

Подставив численные значения величин, получаем:

$a\;=\;\frac{2s}{t^2}^{}=\frac{20}{25}\;=\;0,8$

$F_т=\;12000\times0,8\;+\;2400\;=\;12000\;Н\;=\;12\;кН$

Задача 3

Транспорт, весящий 4 тонны, едет в гору. Уклон — 1 метр на каждые 25 метров пути. $\mu$ — 0,1 от силы тяжести, $а = 0$. Определите силу тяги.

Решение

Начертим схему:

$m\times g\;+\;N\;+\;F_{тр\;}+\;F_т\;=\;m\times a$

Сделаем проекции на координатные оси:

$OX: -\;mg\;\times\;\sin\alpha\;-\;F_{тр\;}+\;F_т\;=\;0$

$OY: N\;-\;mg\;\times\;\cos\alpha\;=\;0 => N\;=\;mg\;\times\;\cos\alpha\;$

$F_{тр}\;=\;\mu N\;=\;\mu mg\;\times\;\cos\alpha$

Подставим значение $F_{тр}$ в уравнение $OX$ и определим $F_т$:

$-mg\;\times\;\sin\alpha\;-\;\mu$

$mg\;\times\;\cos\alpha\;+\;F_т\;=\;0$

$=> F\;=\;mg\;\left(\sin\alpha\;+\;\mu\;\times\;\cos\alpha\right)$

Найдем синус и косинус $\alpha$, подставим их в общую формулу:

$\sin\alpha\;=\;\frac hl\;=\;\frac1{25}$

$\cos\alpha\;=\;\frac{\sqrt{l^{2\;}-\;h^2}}l\;$

В словаре Ожегова

СИЛА, -ы, ж. 1. Величина, являющаяся мерой механического взаимодействия тел, вызывающего их ускорение или деформа-цию; характеристика интенсивности физических процессов (спец.). Единица силы. Центробежная с. С. тяжести. С. тока. С. света. С. инерции. С. ветра. Землетрясение силой в шесть баллов. 2. Способность живых существ напряжением мышц про- изводить физические действия, движения;вообще — физическая или моральная возможность активно действовать. Большая с. в руках. Толкнуть с силой. Нет больше сил. Это свыше моих сил. Лишиться сил. Выбиться из сил. Собраться с силами. Приняться за работу со свежими силами. Применить силу (физическое воздействие). Силой заставили (насильно). Действовать убеждением, а не силой. Политика с позиции силы (об агрессивной политике). 3. обычно мн. Материальное или духовное начало как источник энергии, деятельности. Силы природы. Творческие силы народа.4. чего. Способность проявления какой-н. деятельности, состояния, отличающаяся определенной степенью напряженности, устремленности. С. воли. С. воображения.5. Могущество, влияние, власть. Могучая с.слова. С. убеждения. Непобедимая с. народа. 6. Сущность, смысл (разг.). Вся с. в том, что он знает это лучше меня. 7. Действенность, правомочность (закона; решения, правила). Закон вступил в силу. Закон обратной силы не имеет. Старое решение потеряло (утратило) силу. 8. ли. Общественная группа, общественный слой, а также вообще люди, обладающие каки-ми-н. характерными для них признаками. Соотношение классовых сил. Лучшие артистические силы. 9. мн. Вооруженные силы, а также различные их виды. Военно-морские силы. Военно-воздушные силы. Главные силы (основная часть воюющих войск). 10. ед. Большое количество, множество (прост.). Народу там — с. ||. силами кого-чего, в знач. предлога с род. п. Используя кого-что-н., при помощи кого-че-го-н. Построено силами студентов. 12. сила!, в знач. сказ. О чем-н. очень хорошем, впечатляющем (прост.). Фильм — с. — В силах — 1) в состоянии, может что-н. делать, активно действовать. Пока в силах, буду трудиться; 2) с неопр., мочь, располагать возможностью. Никто не в силах повлиять на него. В силе (разг.) — в таком состоянии, когда есть власть, влияние. Этот человек сейчас в большой силе. В силу чего, предлог с род. п. (книжн.) — по причине чего-н., из-за чего-н. Не смог явиться в силу сложившихся обстоятельств. В силу того что, союз (книжн.) — из-за того что, по причине того что. Ответ задерживается, в силу того что отсутствуют необходимые сведения. Изо всей силы или изо всех сил — применяя всю свою силу, энергию. Старался из всех сил. От силы (разг.) — самое большее. Отсюда до города от силы тридцать километров. Весит от силы десять килограмм. По силам, по силе или под силу кому — соответствует чьим-н. возможностям, силам. По силе возможности (прост.) — по мере возможности. Помогает по силе возможности. Своими силами — самостоятельно, без посторонней помощи. Сил нет (разг.) — очень, чрезвычайно. Сил нет, как он мне надоел. Силою в (до, от… до…), в знач. предлога с вин. и род. л. — в количестве, численностью. Отряд силою в пятьсот штыков (до пятисот штыков, от четырехсот до пятисот штыков). Силою вещей — по причине сложившихся обстоятельств. Так подучилось силою вещей. Через силу — сверх имеющихся возможностей, сил. Делать что-и. через силу. Что есть силы (разг.) — применяя всю свою физическую силу. Толкнул что есть силы. || уменьш. силенка, -и, ж. (ко 2 знач.). Силенки не хватает! || увел. силища, -и, ж. (ко 2,10 и 12 знач.). || прил. силовой, -ая, -ое (к 1 и 2 значЛ. Силовое поле (спец.). С. прием. Силовая борьба. Силовое решение (волевое). Силовые министерства (уполномоченные в необходимых случаях на силовые воздействия, на применение оружия).

Силы упругости и трения в классической механике

Рисунок 3. Сила трения в механике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 2

Сила упругости в классической механике считается силой, которая появляется в процессе деформации тела, в то же время она оказывает этому непосредственное противодействие.

Деформация проявляется в изменении формы, размеров и объемов тела и может быть спровоцирована воздействием на тело внешних сил, приложенных к нему. Различают такие виды деформации:

растяжения (сжатия) — существует односторонняя и двусторонняя;
изгиба;
кручения;
сдвига.

Силы трения появляются в моменты относительного перемещения соприкасающихся поверхностей твердых тел, газа и слоев жидкости. Существуют внутренние (сопутствующие и противодействующие относительному перемещению частей в отношении одного тела, что относится к слоям газа или жидкости) и внешние (речь идет о перемещении двух тел, пребывающих в соприкосновении друг с другом) трения.

В процессе движения в отношении друг друга двух сухих поверхностей твердых тел формируются силы сухого трения, при котором имеет место трение покоя. Причиной возникновения таких сил физики называют шероховатости соприкасающихся поверхностей микро- и макро- типа.

В случае относительного перемещения одной поверхности по другой, их неровности ударяются друг о друга и ломаются, что провоцирует возникновение дополнительного сопротивления. Максимальное значение силы трения покоя равнозначно по величине и противоположно по своему направлению силе, побуждающей тело к движению.

Законы, которым подчиняется сухое трение, установили в рамках экспериментов французские физики Ш. Кулон и Г. Амонтон:

первый закон заключается в силе трения, зависящей от качества обработки поверхности;
второй закон характеризует пропорциональность величины максимальной силы трения покоя силе нормального давления;
третий закон описывает силу трения, не зависящую в определенных пределах от относительной скорости движения тел.

При сухом трении возникают существенные по своему воздействию силы, и по этой причине оно применяется исключительно в случаях, когда требуется значительное торможение (тормозные колодки и баллоны у автомобилей, например).

Уменьшить силу сухого трения возможно до определенных пределов, однако данные возможности ограничены, поэтому в случаях, где требуется уменьшить силу сухого трения, его стараются заменить либо трением качением, либо жидким трением.

Наличие смазки предусматривает два режима. При первом режиме слой смазки настолько мал, что приходится брать в учет силы межмолекулярного взаимодействия, трущихся друг о друга поверхностей (ограниченная смазка).

Второй режим предполагает такой толстый слой смазки, что это существенно превышает сферу действия сил между атомами соприкасающихся поверхностей. Данный слой при этом заполняет собой все неровности взаимодействующих друг с другом тел.

Сухое трение в этом случае заменяется трением внутри жидкости, сила которого становится зависимой от скорости. С повышением скорости сила трения начинает возрастать линейным образом, а впоследствии она становится пропорциональной квадрату скорости.

Сильная ядерная сила

Протоны и нейтроны удерживаются сильным ядерным взаимодействием

Тип: Бесконтактная сила

В ядерной физике и физике элементарных частиц сильное взаимодействие отвечает за структурную целостность атомных ядер. Поскольку все протоны имеют положительный заряд, они отталкиваются друг от друга. Сильное ядерное взаимодействие удерживает эти отталкивающие протоны вместе, так что они могут образовать атомное ядро.

Около 99% массы нейтрона или протона является результатом энергии сильного силового поля.

Это самая сильная сила в природе, действующая на расстоянии 1 фемтометра ( 10–15 м). Он почти в 137 раз сильнее электромагнетизма и в 100 миллиардов (10 38 ) раз сильнее, чем сила гравитации.

Пример: Сильная ядерная сила связывает кварки с адронными частицами, такими как протон и нейтрон, для создания атомного ядра. Это сила, которая соединяет обычную материю.

В более широком масштабе она используется на атомных электростанциях для производства тепла с целью выработки электроэнергии. Она также ответственна за огромную разрушительную мощь ядерного оружия. Из-за этой силы ядерное оружие при взрыве высвобождает экстремальное количество энергии.

Сила давления

Существует несколько видов взаимодействий, имеющих природное начало:

гравитационное взаимодействие;
электромагнитные взаимодействия;
слабые и сильные взаимодействия.

Замечание 1

Гравитационные поля являются основой возникновения гравитационных сил.

Они окружают любое тело, которое имеет массу. Сила тяжести – это сила всемирного тяготения, включая ее разновидности. В настоящее время активно изучается взаимодействие гравитационных полей во Вселенной и исследования пока не могут дать точных ответов на многие вопросы, в том числе касательно природы возникновения и существования таких сил. Источник глобального поля пока найти не удалось, однако известно, что значительная часть гравитационных сил возникает из-за электромагнитного взаимодействия на атомном уровне. Как известно, все вещества состоят из атомов и молекул. Этот факт стал основой всех современных исследований в данной сфере.

Гравитационные силы при взаимодействии тел с поверхностью Земли оказывают давление. Сила давления определяется массой тела (m) и ее можно увидеть в формуле $P=mg$, где g – ускорение свободного падения. Эта величина имеет различные показатели на разных широтах планеты.

Сила вертикального давления равна по абсолютной величине, но противоположна относительно направления силы упругости. В таком случае формула силы будет меняться исходя из движения тела.

Вес тела обычно представляют в виде действия тела на опору после взаимодействия с Землей. Величина веса тела зависит от ускорения движения, которое происходит в вертикальном направлении. Увеличение веса наблюдается при изменении направления ускорения. Оно должно действовать в противоположном направлении ускорению свободного падения. Уменьшение веса наблюдается при ускорении тела. Оно должно совпадать с направлением свободного падения.

Разновидности сил сопротивления

Существует несколько типов силы сопротивления, отличающихся по характеру воздействия на движущиеся предметы.

Сила сопротивления качению

Сила сопротивления качению обозначается, как Pf. В данном случае сила определяется несколькими факторами:

разновидность и состояние опоры, по которой перемещается объект;
скорость движения тела;
давление воздуха и другие параметры окружающей среды.

Состояние и тип опорной поверхности определяет величину коэффициента сопротивления качению, который обозначается f. Если в среде повышается температура, и возрастает давление, то данный показатель будет уменьшаться.

Сила сопротивления воздуха

Сила сопротивления воздуха или величина лобового столкновения Pв образуется в результате различных показателей давления. Данная характеристика напрямую зависит от интенсивности вихреобразования спереди и сзади движущегося предмета. Указанные параметры определяются формой перемещающегося тела.

Примечание

Большее влияние на силу сопротивления будет оказывать вихреобразование в передней части объекта. Если плоскостенную фигуру закруглить спереди и сзади, то получится снизить сопротивление до 72%.

Рассчитать силу лобового сопротивления можно по формуле:

$$$P=cx\times p\times F_{b}$$$

сх — обтекаемость или коэффициент лобового сопротивления; p — плотность воздуха; Fв — площадь лобового сопротивления (миделевого сечения).

Во время поступательного движения масса объекта встречает сопротивление разгону, то есть ускорению. Найти данную силу можно с помощью второго закона Ньютона.

$$$Pj=m\times dVdt$$$

где m выражает массу движущегося объекта, а $dVdt$ обозначает ускорение центра масс.

Как найти трение

Определить силу сопротивления можно, если применить третий закон Ньютона. Для того чтобы предмет равномерно перемещался по опоре в горизонтальном направлении, к нему необходимо приложить силу, соизмеримой с силой сопротивления. Корректно рассчитать данные величины можно с помощью динамометра. Сила сопротивления будет прямо пропорциональна массе объекта. Более точные расчеты производятся с учетом u коэффициента, который зависит от следующих факторов:

материал, из которого изготовлено опорное основание;
материал, из которого состоит перемещаемое тело.

Рассчитывая силу сопротивления, используют постоянную величину g, равную 9,8 метров на сантиметр в квадрате. При этом если движение тела происходит на определенной высоте, на него оказывает воздействие сила трения воздуха. Данная величина зависит от скорости, с которой движется предмет. Искомая величина определяется с помощью следующей формулы только при условии, что предмет перемещается на небольшой скорости:

$$$F=V\times a$$$

где V является скоростью перемещения тела, a — коэффициентом сопротивления среды.

Электромагнитные силы, создаваемые магнитным полем

Энергия, которая заключена в магнитное поле, проявляет себя при помощи электромагнитных сил, что возникают при взаимодействии движущихся электрических зарядов и магнитного поля. Электромагнитная сила, которая возникает в магнитном поле при движении электрического заряда, действует на поле в направлении, что перпендикулярно направлению и движению силовых линий, а также стремится вытолкнуть заряд за его пределы.

Если в магнитное поле поместить проводник с током $I$, то между магнитным полем и электронами, которые проходят по проводнику, возникнут электромагнитные силы, что образуют результирующую силу $F$, стремящуюся вытолкнуть из магнитного поля проводник.

Замечание 1

Электромагнитную силу можно определить при помощи закона Ампера. Он сформулирован так: электромагнитная сила, которая действует на проводник с электрическим током, что находится в магнитном поле и располагается перпендикулярно направлению данного поля, равна произведению индукции поля $B$, силы тока $I$ и длины проводника $ l $.

$F = IBl$

По правилу левой руки можно определить направление действия силы $F$: левая рука располагается так, чтобы магнитные линии входили прямо в ладонь, а четыре вытянутых пальца совмещались с направлением электрического тока – тогда большой палец, что расположен под прямым углом, укажет направление действия силы.

Сила возникнет только в том случае, если проводник располагается под некоторым углом или перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Если проводник располагается вдоль силовых линий магнитного поля, то электромагнитная сила приравнивается нулю.

Чтобы изменить направление электромагнитной силы, нужно изменить направление магнитного поля или направление электрического тока в проводнике.

Электромагнитная сила $F$ возникает при взаимодействии магнитного поля и проводника с током. Ее возникновение наглядно можно представить как результат взаимодействия магнитных полей. Собственное круговое магнитное поле возникает вокруг проводника с электрическим током, оно будет складываться с внешним полем. При этом справа от проводника, в котором силовые линии поля совпадают с внешними линиями магнитного поля, осуществляется разрежение силовых магнитных линий.

Замечание 2

Силовые линии магнитного поля обладают свойством упругости, которое напоминает свойство резиновых нитей, что стремятся сократиться по длине и вытолкнуть проводник из места сгущения силовых линий в сторону их разрежения. В результате этого и возникает электромагнитная сила $F$.

Если в магнитное поле поместить не проводник, а катушку или виток с током, и расположить их вертикально, то используя правило левой руки, можно определить, что электромагнитные силы, действующие на них, направляются в разные стороны. В результате взаимодействия двух сил возникает вращающий момент $M$, который приведет к повороту катушки или витка.

$M = FD$, где $D$ — это расстояние между сторонами катушки или витка.

Виток будет вращаться в магнитном поле, пока не займет положение, что будет перпендикулярным силовым линиям поля. Для того чтобы увеличить вращающий момент в электродвигателях, применяется не один виток, а несколько.

Примеры задачи

Задача 1

На заряд в 0,005 Кл, который движется в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл, действует сила Лоренца. Вычислить ее, если скорость заряда 200 м/с, а движется он под углом 450 к линиям магнитной индукции.

Дано: q = 0,005 Кл

B = 0,3 Тл

v = 200 м/с

α = 450

Решение: В условиях задачи нет упоминания электрического поля, поэтому силу Лоренца можно найти по следующей формуле:

FЛ=qvBsinα=0,005×200×0,3×sin 450 =0,3×22=0,21 Н

Задача 2

Определить скорость тела, имеющего заряд и которое движется в магнитном поле с индукцией 2 Тл под углом 900. Величина, с которой поле воздействует на тело, равна 32 Н, заряд тела – 5 × 10-3 Кл.

Дано: q = 0,005 Кл

B = 2 Тл

FЛ = 32 Н

α = 900

Решение: Чтобы найти скорость заряда, необходимо несколько видоизменить формулу для нахождения силы Лоренца:

FЛ=qvBsinαv=FЛqBsinα

v=320,005×2×sin900=320,01×1=32000мс=32 км/с

Задача 3

Электрон движется в однородном магнитном поле под углом 900 ее силовым линиям. Величина, с которой поле воздействует на электрон, равна 5 × 10-13 Н. Величина магнитной индукции равна 0,05 Тл. Определить ускорение электрона.

Дано: q = -1,6 × 10-19 Кл

B = 0,05 Тл

FЛ = 5 × 10-13 Н

α = 900

Решение: В этой задаче сила Лоренца ко всему прочему еще и заставляет двигаться электрон по окружности. Поэтому здесь под ускорением следует понимать центростремительное ускорение:

aц=v2R

На данный момент неизвестны ни скорость электрона, ни радиус окружности, по которой он движется.

v=FЛqBsinα=5×10-13-1,6×10-19×0,05∙sin900=6×107мс

R=mvqB=9×10-31×6×107-1,6×10-19×0,05=6,8×10-3мс

aц=v2R=6×10726,8×10-3=5×1017мс2

Электродинамика оперирует такими понятиями, которым трудно подобрать аналогию в обычном мире. Но это совсем не значит, что их невозможно постичь. С помощью различных наглядных экспериментов и природных явлений процесс познания мира электричества может стать по настоящему захватывающим.