자연에는 어떤 힘이 있습니까? 학교 백과사전

03.07.2020

알려진 모든 상호 작용과 그에 따른 자연의 힘은 중력, 전자기, 강함, 약함의 네 가지 유형으로 축소됩니다.

중력 상호작용우주의 모든 물체의 특징은 그들이 위치한 환경에 관계없이 자연의 모든 물체의 상호 매력의 형태로 나타나며 일반 에너지의 기본 입자의 미세 세계에서는 역할을하지 않습니다. 눈에 띄는 예는 지구의 매력입니다. 이 상호 작용에는 다음이 적용됩니다. 만유인력의 법칙 : 질량 m 1과 m 2의 두 재료 점 사이의 상호 작용력은 이들 질량의 곱에 직접적으로 비례하고 둘 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다. 수학적으로 이 법칙은 다음과 같습니다.

어디 G= 6.67 10 -11 N m 2 / kg 2 - 질량이 있는 두 개의 동일한 몸체 사이의 인력을 결정하는 중력 상수 중 1 = 중 2 = 거리 1kg 아르 자형= 1m.

전자기 상호 작용 - 상호 작용 고정 전하와 이동 전하 사이. 특히 이러한 상호작용은 분자간 및 원자간 상호작용의 힘을 담당합니다.

두 지점 고정 요금 간의 상호 작용 큐 1 그리고 큐 2 쿨롱의 법칙을 따른다:

어디 케이= 9 10 9 Nm 2 / Cl 2 – 비례 계수.

전하가 자기장 내에서 이동하면 로렌츠 힘이 작용합니다.

V– 충전 속도, V – 자기 유도 벡터.

씨일뇌상호 작용원자핵에서 핵자의 연결을 보장합니다. 약한 기본 입자의 붕괴 대부분과 중성미자와 물질의 상호 작용 과정을 담당합니다.

고전 역학에서는 인력, 탄성력, 마찰력 등이 나타나는 중력 및 전자기력을 다룹니다.

중력신체와 지구 간의 상호 작용을 특징으로합니다.

지구 근처에서는 모든 물체가 거의 동일한 가속도로 낙하합니다. g 9.8 m/s 2라고 합니다. 자유낙하 가속. 따라서 지구 근처에서 각 몸체는 지구 중심을 향하고 몸체 질량과 중력 가속도의 곱과 동일한 중력의 영향을 받습니다.

지구 표면 근처에서 필드는 균일합니다 ( g= const). 비교
와 함께
, 우리는 그것을 얻습니다
.

지면 반력 -힘 , 지지대가 신체에 작용합니다. 본체에 부착되며 접촉면에 수직입니다. 몸체가 수평면에 놓여 있는 경우 지지대의 반력은 수치적으로 중력과 동일합니다. 2가지 경우를 생각해 보자.

1. 그림을 고려해보세요.

몸을 쉬게 하면 두 가지 힘이 작용합니다. 뉴턴의 제2법칙에 따르면

이러한 힘의 y축 투영을 찾아 이를 구해 보겠습니다.

2. 이제 몸을 경사면에 놓고 각도를 만듭니다. 수평선과 함께(그림 참조)

몸이 정지해 있을 때 두 개의 힘이 몸에 작용하는 경우를 생각해 봅시다. 운동 방정식은 첫 번째 경우와 비슷해 보입니다. y축 투영에 대한 뉴턴의 제2법칙을 작성하면 지지 반력이 이 표면에 수직인 중력 투영과 수치적으로 동일하다는 것을 알 수 있습니다.

체중 -신체가 지지대나 서스펜션에 가하는 힘. 체중은 지면 반력과 크기가 동일하며 반대 방향으로 향합니다.

중력과 무게는 종종 혼동됩니다. 이는 고정 지지대의 경우 이러한 힘의 크기와 방향이 일치하기 때문입니다. 그러나 이러한 힘은 서로 다른 물체에 적용된다는 점을 기억해야 합니다. 중력은 물체 자체에 적용되고 무게는 물체에 적용됩니다. 정지 또는 지원. 또한 중력은 신체가 정지해 있거나 움직이고 있는지에 관계없이 항상 mg과 동일하며, 무게의 힘은 지지대와 신체가 움직이는 가속도에 따라 다르며 mg보다 클 수도 있고 작을 수도 있습니다. 특히 무중력 상태에서는 0으로 변합니다.

탄성력. 외력의 영향으로 신체 모양의 변화, 즉 변형이 발생할 수 있습니다. 힘이 멈춘 후 물체의 모양이 다시 회복되는 경우를 변형이라고 합니다. 탄력있는. 탄성 변형의 경우 Hooke의 법칙이 유효합니다.

엑스- 축을 따라 몸이 길어짐 엑스, 케이- 비례 계수라고합니다. 계수 탄력.

신체가 직접 접촉하게 되면 탄성력 외에도 소위 마찰력이라는 또 다른 유형의 힘이 발생할 수 있습니다.

마찰력.

마찰력에는 두 가지 유형이 있습니다.

정적 마찰력.

물체의 움직임으로 인해 발생하는 마찰력.

정적 마찰력- 표면이 물체에 가해지는 힘의 반대 방향으로 물체에 작용하는 힘 (그림 참조) 모듈러스와 동일합니다.

유형 2 마찰력은 신체나 부품이 서로 접촉하여 움직일 때 나타납니다. 접촉한 두 물체의 상대적인 움직임 중에 발생하는 마찰을 마찰이라고 합니다. 외부 동일한 고체(액체 또는 기체)의 부분 사이의 마찰을 마찰이라고 합니다. 내부.

슬라이딩 마찰력다른 물체의 표면을 따라 움직일 때 물체에 작용하며 지지체 N의 반력에 의해 이들 물체 사이의 마찰 계수 의 곱과 동일하며 상대 이동 속도의 반대 방향으로 향합니다. 이 몸

에프 = N

마찰력은 자연에서 매우 중요한 역할을 합니다. 일상생활에서 마찰은 종종 유용합니다. 예를 들어, 도로 표면과 보행자 발바닥 또는 차량 바퀴 사이의 마찰이 크게 감소하는 얼음 조건에서 보행자와 차량이 겪는 어려움이 있습니다. 마찰력이 없다면 가구는 흔들리는 동안 배에서처럼 바닥에 부착되어야 합니다. 왜냐하면 바닥이 수평이 아닌 약간의 높이에서도 경사 방향으로 미끄러지기 때문입니다.

운동량 보존 법칙

닫힌(격리된) 신체 시스템은 신체가 외부 신체와 상호 작용하지 않거나 외부 힘의 결과인 시스템입니다. 0과 같습니다.

중요한 점의 시스템이 외부 힘에 의해 작용하지 않는 경우, 즉 시스템은 고립됩니다( 닫은 ), (3.12)에서 다음과 같습니다.

(3.13)

우리는 고전 물리학의 기본 법칙을 얻었습니다. 운동량 보존 법칙:고립된(폐쇄된) 시스템에서 총 충격량은 일정한 값으로 유지됩니다. 운동량 보존 법칙이 충족되기 위해서는 계가 닫혀 있으면 충분합니다.

운동량 보존 법칙은 예외가 없는 자연의 기본 법칙입니다.

비상대론적 사례에서는 다음 개념을 도입할 수 있습니다. 재료 점 시스템의 질량 중심(관성 중심), 이는 반경 벡터가 있는 가상의 점으로 이해됩니다. 는 다음 공식에 따라 재료 점의 반경 벡터를 통해 표현됩니다.

(3.14)

관계식(3.14)의 시간 도함수를 취하여 주어진 기준계에서 질량 중심의 속도를 구해 보겠습니다.

. (3.14)

시스템의 운동량은 시스템의 질량과 관성 중심의 속도를 곱한 것과 같습니다.

. (3.15)

질량 중심의 개념을 통해 다음 방정식을 제공할 수 있습니다.
종종 더 편리한 것으로 판명되는 또 다른 형식입니다. 이를 위해서는 시스템의 질량이 일정한 양이라는 점을 고려하면 충분합니다. 그 다음에

(3.16)

어디 - 시스템에 작용하는 모든 외부 힘의 합. 방정식 (3.16)은 시스템 관성 중심의 운동 방정식입니다. 질량중심의 운동에 관한 정리읽는다: 질량 중심은 물질 점으로 이동하며 그 질량은 전체 시스템의 총 질량과 동일하며 작용 힘은 시스템에 작용하는 모든 외부 힘의 기하학적 합입니다.

시스템이 닫혀 있으면
. 이 경우 식 (3.16)은 다음과 같다.
, V=const를 따릅니다. 닫힌계의 질량중심은 직선적이고 균일하게 움직인다.

운동 변화의 이유: 신체에 가속도가 나타나는 것은 힘입니다. 힘은 신체가 서로 상호작용할 때 발생합니다. 그러나 어떤 유형의 상호 작용이 존재하며 그 수가 많습니까?

언뜻보기에 신체가 서로에게 미치는 영향의 유형이 다양하고 따라서 힘의 유형도 다른 것처럼 보일 수 있습니다. 손으로 몸을 밀거나 당기면 몸에 가속도가 부여될 수 있습니다. 순풍이 불면 배는 더 빨리 항해합니다. 지구로 떨어지는 모든 물체는 가속도로 움직입니다. 활줄을 당겼다 놓으면 화살에 가속도가 부여됩니다. 고려된 모든 경우에는 작용하는 힘이 있으며, 그 힘은 모두 완전히 다르게 보입니다. 그리고 다른 세력의 이름을 지정할 수도 있습니다. 전기력과 자기력의 존재, 조수의 힘, 지진과 허리케인의 힘에 대해 누구나 알고 있습니다.

하지만 자연에는 정말 다양한 힘이 있을까요?

신체의 기계적 움직임에 대해 이야기하면 여기서는 중력, 탄성력 및 마찰력의 세 가지 유형의 힘만 만납니다. 위에서 논의한 모든 세력이 그들에게 다가옵니다. 탄성, 중력 및 마찰력은 보편적 중력과 자연의 전자기력을 나타냅니다. 자연에는 이러한 힘이 두 개만 있다는 것이 밝혀졌습니다.

전자기력. 전기가 흐르는 물체 사이에는 인력이나 반발력이 될 수 있는 전기력이라는 특수한 힘이 있습니다. 본질적으로 전하에는 양수와 음수의 두 가지 유형이 있습니다. 서로 다른 전하를 가진 두 물체는 끌어당기고, 같은 전하를 가진 물체는 밀어냅니다.

전하는 하나의 특별한 속성을 가지고 있습니다. 전하가 움직일 때 전기력 외에도 그들 사이에 또 다른 힘, 즉 자기력이 발생합니다.

자기력과 전기력은 서로 밀접하게 관련되어 있으며 동시에 작용합니다. 그리고 대부분의 경우 움직이는 전하를 다루어야 하기 때문에 이들 사이에 작용하는 힘을 구별할 수 없습니다. 그리고 이러한 힘을 전자기력이라고 합니다.

신체에 있을 수도 있고 없을 수도 있는 “전하”는 어떻게 발생합니까?

모든 신체는 분자와 원자로 구성되어 있습니다. 원자는 더 작은 입자, 즉 원자핵과 전자로 구성됩니다. 핵과 전자는 특정 전하를 가지고 있습니다. 핵은 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띠고 있습니다.

정상적인 조건에서 원자는 전하를 띠지 않습니다. 전자의 총 음전하가 핵의 양전하와 같기 때문에 중성입니다. 그리고 그러한 중성 원자로 구성된 물체는 전기적으로 중성입니다. 그러한 몸체 사이에는 실질적으로 전기적 상호 작용력이 없습니다.

그러나 동일한 액체 (또는 고체) 몸체에서 이웃 원자는 서로 너무 가깝게 위치하여 구성되는 전하 간의 상호 작용력이 매우 중요합니다.

원자 사이의 상호 작용력은 원자 사이의 거리에 따라 달라집니다. 원자 사이의 상호 작용력은 원자 사이의 거리가 변할 때 방향을 바꿀 수 있습니다. 원자 사이의 거리가 매우 작으면 서로 밀어냅니다. 그러나 그들 사이의 거리가 멀어지면 원자들은 서로 끌어당기기 시작합니다. 원자 사이의 특정 거리에서 상호 작용의 힘은 0이 됩니다. 당연히 그러한 거리에서 원자는 서로 상대적으로 위치합니다. 이 거리는 매우 작으며 원자 자체의 크기와 거의 같습니다.

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다른 신체나 장이 신체에 작용하는 척도를 특징으로 하는 것을 힘이라고 합니다. 두 번째에 따르면, 물체가 받는 가속도는 물체에 작용하는 힘에 정비례합니다. 따라서 물체의 속도를 변화시키기 위해서는 물체에 힘을 가해야 한다. 그러므로 자연의 힘이 모든 움직임의 원천이 된다는 것은 사실입니다.

관성 기준 시스템

자연의 힘은 벡터량, 즉 크기와 방향을 가지고 있습니다. 두 힘은 크기가 동일하고 방향이 일치하는 경우에만 동일한 것으로 간주될 수 있습니다.

몸체에 힘이 작용하지 않고 주어진 몸체에 작용하는 힘의 기하학적 합(이 합은 종종 모든 힘의 합이라고 함)이 0인 경우 몸체는 정지 상태를 유지하거나 일정한 속도로 같은 방향으로 계속 움직입니다(즉, 관성에 의해 움직입니다). 이 표현은 관성 참조 시스템에 유효합니다. 그러한 시스템의 존재는 뉴턴의 제1법칙에 의해 가정됩니다. 자연에는 그러한 시스템이 없지만 편리하지만 실제 문제를 해결할 때 지구와 관련된 기준 시스템이 관성으로 간주되는 경우가 많습니다.

지구 - 관성 및 비관성 기준계

특히 건설 작업 중 자동차의 움직임과 수영 운송을 계산할 때 지구가 관성 기준틀이라는 가정은 문제의 실제 해결에 필요한 정확도로 작용력을 설명하는 데 충분합니다.

그러한 가정을 허용하지 않는 자연계의 문제도 있습니다. 특히 이는 우주 프로젝트에 적용됩니다. 로켓이 위쪽으로 똑바로 발사되면 지구의 자전으로 인해 수직 방향뿐만 아니라 지구의 자전과 반대되는 수평 방향으로도 눈에 보이는 운동이 수행됩니다. 이 움직임은 우리 행성과 관련된 기준 시스템의 비관성을 드러냅니다.

물리적으로 로켓을 편향시키는 힘이 로켓에 작용하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 로켓의 운동을 설명하려면 다음을 사용하는 것이 편리합니다. 이러한 힘은 물리적으로 존재하지 않지만, 존재한다고 가정하면 비관성 시스템을 관성으로 상상할 수 있습니다. 즉, 로켓의 궤적을 계산할 때 지구 기준계는 관성이지만 동시에 로켓에는 수평 방향으로 일정한 힘이 작용한다고 가정합니다. 이 힘을 코리올리 힘이라고 합니다. 본질적으로, 우리 행성을 기준으로 특정 높이에서 꽤 오랜 시간 동안 또는 고속으로 움직이는 신체에 대해 이야기할 때 그 효과가 눈에 띄게 나타납니다. 따라서 미사일과 위성의 움직임을 설명할 때뿐만 아니라 포탄, 항공기 등의 움직임을 계산할 때도 고려됩니다.

상호작용의 성격

자연의 모든 힘은 그 기원의 성격상 중력, 약력, 강함의 네 가지 기본 힘에 속합니다. 대우주에서는 중력과 전자기력의 영향만 눈에 띕니다. 약하고 강한 상호 작용은 원자핵과 아원자 입자 내부에서 발생하는 과정에 영향을 미칩니다.

중력 상호 작용의 가장 일반적인 예는 지구가 주변 물체에 작용하는 힘입니다.

전자기력에는 명백한 예 외에도 신체가 서로에게 가하는 모든 탄성, 압력 관련 상호 작용이 포함됩니다. 따라서 무게(신체가 서스펜션이나 지지대에 작용하는 힘)와 같은 자연의 힘은 전자기적 특성을 가집니다.

>>물리학: 자연의 힘. 중력

먼저 자연에는 다양한 종류의 힘이 있는지 알아보겠습니다.
언뜻 보기에 우리는 불가능하고 풀 수 없는 임무를 맡은 것처럼 보입니다. 지구와 그 너머에는 무한한 수의 몸체가 있습니다. 그들은 서로 다른 방식으로 상호 작용합니다. 예를 들어, 돌이 땅에 떨어집니다. 전기 기관차가 기차를 끌어 당깁니다. 축구 선수의 발이 공을 쳤습니다. 모피에 문지른 에보나이트 막대는 가벼운 종이 조각을 끌어당기고, 자석은 쇠가루를 끌어당깁니다. 전류가 흐르는 도체가 나침반 바늘을 돌립니다. 달과 지구는 상호작용하고, 함께 태양과 상호작용합니다. 별과 항성계가 상호 작용하는 등의 사례가 있습니다. 그러한 예는 끝이 없습니다. 자연에는 무한한 상호작용(힘)이 있는 것처럼 보입니까? 그렇지 않은 것으로 밝혀졌습니다!
네 가지 유형의 힘.무한한 우주, 우리 행성, 모든 물질, 살아있는 유기체, 원자, 원자핵 및 기본 입자의 세계에서 우리는 중력, 전자기, 강한 네 가지 유형의 힘만 나타납니다. (핵) 그리고 약하다.
중력, 또는 보편적 중력의 힘은 모든 신체 사이에 작용합니다. 모든 신체는 서로 끌립니다. 그러나 이 인력은 일반적으로 상호 작용하는 물체 중 적어도 하나가 지구나 달만큼 클 때만 중요합니다. 그렇지 않으면 이러한 힘이 너무 작아서 무시될 수 있습니다.
전자기력전하를 띠는 입자 사이에서 작용합니다. 그들의 활동 범위는 특히 광범위하고 다양합니다. 원자, 분자, 고체, 액체 및 기체, 살아있는 유기체에서 주요한 것은 전자기력입니다. 원자에서의 그들의 역할은 훌륭합니다.
범위 핵전력매우 제한적입니다. 원자핵 내부(즉, 10~13cm 정도의 거리)에서만 눈에 띕니다. 이미 10 -11 cm (원자 크기보다 1000 배 더 작음 - 10 -8 cm) 정도의 입자 사이의 거리에서는 전혀 나타나지 않습니다.
약한 상호작용 10-15cm 정도의 더 작은 거리에서도 나타나며 기본 입자의 상호 변형을 일으키고 핵의 방사성 붕괴와 열핵 융합 반응을 결정합니다.
핵력은 자연계에서 가장 강력한 힘이다. 핵력의 강도를 1로 취하면 전자기력의 강도는 10 -2, 중력 - 10 -40, 약한 상호 작용 - 10 -16이 됩니다.
강한(핵) 상호작용과 약한 상호작용은 아주 작은 거리에서 나타나기 때문에 뉴턴의 역학 법칙과 기계적 힘의 개념이 의미를 잃습니다.
역학에서는 중력과 전자기 상호작용만 고려합니다.
역학의 힘.역학에서는 일반적으로 중력, 탄성력, 마찰력이라는 세 가지 유형의 힘을 다룹니다.
탄성력과 마찰력은 전자기적 특성을 가집니다. 여기서는 이러한 힘의 기원을 설명하지 않을 것이며 실험을 통해 이러한 힘이 발생하는 조건을 찾아 정량적으로 표현하는 것이 가능할 것입니다.
자연에는 네 가지 유형의 상호작용이 있습니다. 역학에서는 중력과 두 가지 유형의 전자기력, 즉 탄성력과 마찰력을 연구합니다.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, 물리학 10학년

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이번 강의에 대한 수정사항이나 제안사항이 있으시면

지금까지 힘에 대한 일반적인 개념이 사용되어 왔으며, 어떤 힘이 있고 그것이 무엇을 의미하는지에 대한 질문은 고려되지 않았습니다. 자연에서 발견되는 다양한 힘에도 불구하고, 그것들은 모두 네 가지 유형의 기본 힘으로 축소될 수 있습니다: 1) 중력; 2) 전자기; 3) 핵; 4) 약하다.

중력어떤 신체 사이에서도 발생합니다. 그들의 행동은 큰 물체의 세계에서만 고려되어야 합니다.

전자기력정지 및 이동 전하 모두에 대해 행동합니다. 물질은 원자로 구성되어 있고 원자는 전자와 양성자로 구성되어 있기 때문에 우리가 살면서 접하는 힘의 대부분은 전자기력입니다. 예를 들어 신체 변형 중에 발생하는 탄성력, 마찰력이 있습니다.

핵이고 약하다힘은 m을 초과하지 않는 거리에서 나타나므로 이러한 힘은 소우주에서만 눈에 띕니다. 모든 고전 물리학과 힘의 개념은 기본 입자에 적용할 수 없습니다. 힘을 사용하여 이러한 입자의 상호 작용을 정확하게 특성화하는 것은 불가능합니다. 여기서는 에너지적인 설명이 유일하게 가능한 설명이 됩니다. 그러나 원자 물리학에서는 종종 힘에 관해 이야기합니다. 이 경우 용어 힘이라는 단어와 동의어가 됩니다. 상호 작용.

그래서 현대과학에서는 이 단어를 힘두 가지 의미로 사용됩니다. 첫째, 의미에서 기계적인 힘– 상호작용의 정확한 정량적 측정 둘째, 힘은 특정 유형의 상호 작용의 존재를 의미하며, 이에 대한 정확한 정량적 측정은 다음과 같습니다. 에너지.

역학에서는 중력, 탄성, 마찰력이라는 세 가지 유형의 힘을 고려합니다. 간략하게 살펴보겠습니다.

1. 중력. 자연의 모든 신체는 서로에게 매력을 느낍니다. 이러한 힘을 중력이라고 합니다. 뉴턴은 다음과 같은 법칙을 세웠습니다. 만유인력의 법칙: 물질 점을 끌어당기는 힘은 질량의 곱에 비례하고, 점 사이 거리의 제곱에 반비례하며, 점을 연결하는 직선을 따라 향합니다.

, (2.16)

어디 중그리고 티– 체질량; 아르 자형– 신체 사이의 거리;   중력 상수. "" 기호는 중력의 힘을 나타냅니다.

공식 (2.16)으로부터 다음과 같은 결과가 나옵니다. 티 = 중= 1kg 및 아르 자형= 1m,  = 에프, 즉. 중력 상수는 서로 단위 거리에 위치한 단위 질량의 물질 지점의 인력의 계수와 같습니다. 만유인력의 법칙에 대한 최초의 실험적 증명은 캐번디시(Cavendish)에 의해 수행되었습니다. 그는 중력 상수의 값을 결정할 수 있었습니다.
. 매우 작은 값 는 중력 상호 작용의 힘이 질량이 큰 물체의 경우에만 중요하다는 것을 나타냅니다.

2. 탄성력. 탄성 변형 중에 탄성력이 발생합니다. 에 따르면 후크의 법칙, 탄성력 계수
변형량에 비례 엑스, 즉.

, (2.17)

어디 케이-탄성 계수. "" 기호는 힘과 변형의 방향이 반대라는 사실을 결정합니다.

3. 마찰력. 신체가 접촉하거나 부품이 서로 상대적으로 움직일 때, 마찰력. 내부(점성) 마찰과 외부(건조) 마찰이 있습니다.

점성마찰고체와 액체 또는 기체 매체 사이, 그리고 그러한 매체의 층 사이의 마찰이라고 합니다.

외부 마찰상호 이동을 방해하는 힘의 고체와 접촉하는 접촉 지점에서 출현하는 현상을 호출합니다. 접촉하는 몸체가 움직이지 않으면 한 몸체를 다른 몸체에 상대적으로 움직이려고 할 때 그들 사이에 힘이 발생합니다. 그것은이라고 정지마찰력. 정지 마찰력은 고유하게 정의된 양이 아닙니다. 이는 0에서 몸체가 움직이기 시작하는 접촉면에 평행하게 가해지는 힘의 최대값으로 변경됩니다(그림 2.3).