Какими свойствами обладают силы взаимодействия

Фундаментальные силы (или фундаментальные взаимодействия) физики – это способы взаимодействия отдельных элементарных частиц друг с другом. Для каждого отдельного взаимодействия, наблюдаемого во Вселенной, можно выделить четыре типа взаимодействий:

• Гравитационное
• Электромагнитное
• Слабое взаимодействие
• Сильное взаимодействие

Гравитация

Из фундаментальных сил гравитация имеет самую дальнюю досягаемость, но она является самой слабой из сил. По сути, это сила, которая даже через пустоту миллионов километров пространства притягивает две массы друг к другу. Она удерживает планеты на орбите вокруг Солнца, а Луну на орбите вокруг Земли. Гравитация описывается в общей теории относительности, которая определяет ее как кривизну пространства-времени вокруг объекта массы.

Рис.1 Искривление пространства-времени вокруг любого массивного объекта определяется сочетанием массы и расстояния до центра массы (Источник: medium.com)

Электромагнетизм

Электромагнетизм – это взаимодействие частиц с электрическим зарядом. Заряженные частицы в состоянии покоя взаимодействуют посредством электростатических сил, а в движении они взаимодействуют посредством как электрических, так и магнитных сил.

Долгое время электрические и магнитные силы считались различными силами, но в конце концов были объединены Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году по его уравнениям. В 1940-х годах квантовая электродинамика объединила электромагнетизм с квантовой физикой.

Электромагнетизм, пожалуй, самая распространенная сила в нашем мире, поскольку она может влиять на вещи на разумном расстоянии и с изрядной силой.

Рис.2 Молния – это электростатический разряд, который движется между двумя заряженными областями. Его принцип основан на действии электромагнитной силы (Фото: digiato.com)

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие – очень мощная сила, действующая в масштабах атомного ядра, вызывающая такие явления, как радиоактивный распад. Она была объединена с электромагнетизмом как единое взаимодействие, называемое “электрослабым”.

Слабое взаимодействие происходит только при очень малых, субатомных расстояниях, меньше диаметра протона.

Важными примерами явлений, связанных со слабым взаимодействием, можно назвать бета-распад (тип радиоактивного распада, при котором электрон, позитрон и нейтрино испускаются из атомного ядра) и синтез гелия из водорода, который приводит в действие термоядерный процесс Солнца. Кроме того, распад фермионов делает возможным радиоуглеродное датирование.

Рис.3 Радиоактивный бета-распад обусловлен слабым взаимодействием, которое превращает нейтрон в протон, электрон и электронный антинейтрино (Источник: Википедия).

Сильное взаимодействие

Самая мощная из сил – которая, помимо прочего, удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) связанными вместе. Например, в атоме гелия она удерживает вместе два протона, несмотря на то, что их положительные электрические заряды заставляют их отталкивать друг друга.

По сути, сильное взаимодействие позволяет частицам, называемым глюонами (элементарные безмассовые частицы, переносчики сильного взаимодействия), связывать кварки, создавая в первую очередь нуклоны. Глюоны также могут взаимодействовать с другими глюонами, что дает сильному взаимодействию теоретически бесконечное расстояние, хотя все его основные проявления находятся на субатомном уровне.

Рис. 4 Сильное взаимодействие удерживает два антипротона (Источник: physicsworld.com)

Объединение фундаментальных сил

Многие физики полагают, что все четыре фундаментальные силы, по сути, являются проявлениями единой базовой (или объединенной) силы, которая пока не обнаружена. Подобно тому, как электричество, магнетизм и слабая сила были объединены в электрослабое взаимодействие, ученые работают, чтобы объединить все фундаментальные силы вместе.

Современная квантово-механическая интерпретация этих сил заключается в том, что частицы не взаимодействуют напрямую, а скорее проявляются виртуальными частицами, которые опосредуют реальные взаимодействия. Все силы, кроме силы тяжести, были объединены в эту “Стандартную модель” взаимодействия.

Объединение гравитации с тремя другими фундаментальными силами называется квантовой гравитацией. Это предполагает существование виртуальной частицы, называемой гравитоном, которая была бы опосредующим элементом в гравитационных взаимодействиях. Поскольку до настоящего времени гравитоны обнаружены не были, то и теория квантовой гравитации не стала универсальной.

Читать: https://skytechnews.ru/fundamentalnye-sily-fiziki/

Представьте себе, что вы поднимаете гирю, действуя на нее рукой с некоторой силой Fгр, направленной вверх (рис. 89). В этом случае вы почувствуете, что гиря тоже действует на вашу руку. При этом гиря будет тянуть вашу руку вниз с силой Fрг.

Индексы «г» (гиря) и «р» (рука) в записи Fгр означают, что эта сила действует на гирю (первый индекс) со стороны руки (второй индекс). Соответственно индексы «р» и «г» в записи силы Fрг означают, что эта сила действует на руку (первый индекс) со стороны гири (второй индекс). Такую систему обозначения сил взаимодействия двух тел мы будем использовать и в дальнейшем.

Оказывается, силы в природе всегда возникают парами. Если первое тело действует на второе, то второе тело действует на первое. Таким образом, действие двух тел друг на друга всегда имеет взаимный характер. При этом говорят, что два тела взаимодействуют друг с другом. Отметим, что силы взаимодействия приложены к разным телам.

Эти силы подчиняются конкретным правилам, которые Ньютон сформулировал в виде фундаментального закона природы. В настоящее время этот закон называют третьим законом Ньютона.

Два тела взаимодействуют друг с другом с силами:
1) равными по модулю;
2) противоположными по направлению;
3) лежащими на одной прямой.

Строго говоря, в третьем законе Ньютона также сказано, что силы взаимодействия двух тел всегда являются силами одной природы. Но об этом мы поговорим с вами позднее, когда изучим виды существующих в природе сих.

Подчеркнем еще раз, что силы, о которых говорится в третьем законе Ньютона, приложены к равным телам, т. е. к телам, которые взаимодействуют друг с другом. Поэтому эти силы не могут уравновесить друг друга.

Силы взаимодействия двух тел приложены к разным телам и поэтому не уравновешивают друг друга.

Обратим внимание на то, что, в отличие от второго закона Ньютона, в котором речь идет об одном теле, в третьем законе речь идет о двух взаимодействующих друг с другом телах.

Применим третий закон Ньютона к силам, изображенным на рис. 89.

В соответствии с первым пунктом |Fрг| = |Fгр|. То есть модуль силы, с которой на руку действует гиря, равен модулю силы, с которой на гирю действует рука.

В соответствии со вторым пунктом Fгр = -Fрг. Действительно, сила Fгр, с которой рука действует на гирю, направлена вверх, а сила Fрг, с которой гиря действует на руку, направлена в противоположную сторону – вниз.

Как вы уже знаете, два тела могут взаимодействовать друг с другом не только при касании, но и на расстоянии. Например, кусок железа и магнит (рис. 90), расположенные на разных тележках, притягиваются друг к другу. При этом силы их взаимодействия удовлетворяют третьему закону Ньютона: они равны по модулю, противоположны по направлению и лежат на одной прямой.

Со временем мы убедимся в том, что с помощью второго и третьего законов Ньютона можно вывести большинство законов механики и решать практически все механические задачи. Уже в следующей главе, посвященной видам сил в механике, вы увидите, насколько эффективно использование законов Ньютона.

Поясним, как надо использовать законы Ньютона при решении задач, на следующем простом примере.

На рис. 91 изображен локомотив, толкающий перед собой вагон массой m = 40 т по горизонтальному участку железнодорожного пути. В результате действия локомотива вагон движется по рельсам с ускорением, модуль которого |a| = 1 м/с2. Найдем силу Fлв, действующую на локомотив со стороны вагона, считая, что в горизонтальном направлении других действий на вагон нет.

Решение. Выберем систему отсчета, связанную с рельсами: направим ось X по ходу движения локомотива. Поскольку рельсы неподвижны относительно Земли, связанную с ними систему отсчета можно считать инерциальной. Будем считать вагон и локомотив точечными телами. Направление ускорения вагона совпадает с положительным направлением оси X. Поэтому значение a этого ускорения положительно, а значение Fвл силы, действующей на вагон со стороны локомотива, согласно второму закону Ньютона удовлетворяет соотношению m · a = Fвл. Следовательно,

Fвл = m · a = 40000 кг · 1 м/с2 = 40 кН.

Теперь можно определить силу Fлв, действующую на локомотив со стороны вагона. Согласно третьему закону Ньютона модуль этой силы равен найденному нами значению Fвл. Направлена же сила Fлв противоположно силе Fвл, т. е. противоположно направлению ускорения a вагона.

Итоги
Если первое тело действует на второе, то второе тело при этом действует на первое. Про такие тела говорят, что они взаимодействуют друг с другом.

Третий закон Ньютона.
Два тела взаимодействуют друг с другом с силами:
1) равными по модулю;
2) противоположными по направлению;
3) лежащими на одной прямой.

Кратко этот закон может быть записан в виде: F12 = -F21, где F12 – сила, действующая на первое тело со стороны второго тела, F21 – сила, действующая на второе тело со стороны первого.

Силы, о которых говорится в третьем законе Ньютона, приложены к разным телам, т. е. к телам, которые взаимодействуют друг с другом. Поэтому эти силы не могут уравновешивать друг друга.

Вопросы

1. Приведите примеры взаимодействующих тел.
2. Сформулируйте третий закон Ньютона.
3. Какими свойствами обладают силы взаимодействия?
4. Могут ли силы взаимодействия уравновесить друг друга?
5. Чему равна сумма сил взаимодействия двух тел?

Упражнения

1. Определите силу (модуль и направление), с которой давит на спинку сиденья водитель массой m = 80 кг, если его автомобиль разгоняется по прямолинейному горизонтальному участку дороги с ускорением a = 4 м/с2. Считайте, что в горизонтальном направлении на водителя действует только спинка сиденья.
2. Определите, с какой силой действует на ремень безопасности водитель массой m = 100 кг, если после нажатия на педаль тормоза его автомобиль сбрасывает скорость от 108 км/ч до нуля за 6 с на прямолинейном горизонтальном участке дороги. Считайте, что в горизонтальном направлении на водителя действует только ремень безопасности.