Erő

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. február 12-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 9 szerkesztést igényelnek .

Erő
$\F$
Dimenzió	LMT- 2
Egységek
SI	newton
GHS	Dina
Megjegyzések
vektor mennyiség

Az erő egy fizikai vektormennyiség , amely más testek vagy mezők adott testre gyakorolt hatásának mértéke . Az erő alkalmazása a test sebességének változását vagy alakváltozások , mechanikai igénybevételek megjelenését idézi elő . Deformáció előfordulhat magában a testben és az azt rögzítő tárgyakban - például rugókban.

Más testek testre gyakorolt hatása mindig a testek által létrehozott és a kérdéses test által érzékelt mezőkön keresztül történik. A különféle kölcsönhatások négy alapvető kölcsönhatásra oszlanak le ; a részecskefizika standard modellje szerint ezek az alapvető kölcsönhatások ( gyenge , elektromágneses , erős és esetleg gravitációs ) a mérőbozonok cseréjén keresztül valósulnak meg [1] .

Az erő jelölésére általában az F szimbólumot használják - latból. fortis (erős).

Az erőnek nincs általánosan elfogadott definíciója, a modern fizika tankönyvekben az erőt tekintik a gyorsulás okának [2] . A legfontosabb fizikai törvény, amely magában foglalja az erőt is, Newton második törvénye . Azt mondja, hogy inerciális vonatkoztatási rendszerekben egy anyagi pont gyorsulása az irányban egybeesik az eredő erővel, azaz. a testre ható erők összege és modulusban egyenesen arányos az eredő modulusával és fordítottan arányos az anyagi pont tömegével.

Az orosz "hatalom" szó kétértelmű, és gyakran használják (önmagában vagy kombinációkban, a tudományban és a mindennapi helyzetekben) a kifejezés fizikai értelmezésétől eltérő értelemben.

Általános információk

Az erő meghatározásáról

Az a definiáló képlet erőssége, hogy az ellipszis helyett más mennyiségekből való konstrukció lenne, nem létezik. Szintén nincs szabványos verbális definíció – és ez a téma a legnagyobb tudósok részvételével zajlik Newton óta [3] . Ha megpróbálják bevezetni az erőt a tömeg-gyorsulás szorzataként vagy a rugalmassági és alakváltozási együttható ( -ort ) szorzataként , Newton második törvényét vagy Hooke törvényét tautológiává silányítaná . ${\vec {F}}\,\,{\stackrel {def}{=}}\ldots$ $m{\vec {a}}$ $k\Delta l\cdot {\vec {e}}_{x}$ $\vec{e}_x$

Az erő elméleti (szemantikai) definíciójának hiánya pótolható a mérési módszer leírásával, kombinálva a tárgyalt mennyiség tulajdonságainak leírásával . Logikai szempontból ez fogalmazza meg az úgynevezett műveleti definíciót [4] .

Szilárdsági jellemzők

Az erő egy vektormennyiség . Modul , irány és alkalmazási pont jellemzi . Használják az erőhatásvonal fogalmát is , ami az erő alkalmazási pontján áthaladó egyenes vonalat jelenti, amely mentén az erő irányul.

Az erőnek a testek közötti távolságtól való függése eltérő formát mutathat, de általában nagy távolságokon az erő nullára hajlik - ezért a vizsgált test más testektől való elmozdításával a „hiányzás” helyzete alakul ki. a külső erők” jó pontossággal biztosított [5] . Kivételek lehetségesek a sötét energiával kapcsolatos egyes kozmológiai problémákban [6] .

Az alapvető kölcsönhatások típusa szerinti felosztáson túlmenően az erőknek más osztályozása is létezik, beleértve: külső-belső (vagyis egy adott mechanikai rendszer anyagi pontjaira (testeire) ható anyagi pontokból (testek), amelyek nem tartoznak ide. ehhez a rendszerhez és az adott rendszer anyagi pontjai (testei) közötti kölcsönhatási erők [7] ), potenciál és nem ( potenciálisan, hogy a vizsgált erők mezeje), rugalmas - disszipatív , koncentrált-eloszlású (egy ill. sok pont), állandó vagy időben változó.

Az egyik tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerből a másikba való átmenet során az erők átalakítása ugyanúgy történik, mint a megfelelő természetű mezők (például elektromágneses, ha az erő elektromágneses). A klasszikus mechanikában az erő a galilei transzformációk invariánsa [8] .

Az erőrendszer a kérdéses testre vagy egy mechanikai rendszer pontjaira ható erők összessége. Két erőrendszert ekvivalensnek nevezünk, ha külön-külön ugyanarra a merev testre vagy anyagi pontra gyakorolt hatásuk megegyezik, más dolgok egyenlősége mellett [7] .

Kiegyensúlyozott erőrendszer (vagy nullával egyenértékű erőrendszer) olyan erőrendszer, amelynek merev testre vagy anyagi pontra gyakorolt hatása nem vezet kinematikai állapotuk megváltozásához [7] .

Erő dimenziója

Az erő dimenziója a Nemzetközi Mennyiségek Rendszerében ( English International System of Quantities, ISQ ), amelyen a Nemzetközi Egységek Rendszere (SI) alapul, és az LMT mennyiségi rendszerben , amelyet a CGS rendszer alapjául használnak. egység , az LMT -2 . A mértékegység SI-ben a newton (orosz jelölése: N; nemzetközi: N), a CGS rendszerben - dyna (orosz jelölése: dyn, nemzetközi: dyn).

Példák az erőértékekre

	Erősség (N)
A vonzás ereje a nap és a föld között	$3{,}5\x 10^{22}$ [tíz]
A vonzás ereje a Föld és a Hold között	$2{,}0\x 10^{20}$ [tíz]
A "Szojuz" hordozórakéta első és második fokozatának motorjainak tolóereje	$4{,}0\x 10^{6}$ [tizenegy]
A 2TE70 dízelmozdony vonóereje	$6{,}1\x 10^{5}$ [12]
Vonzóerő elektron és proton között a hidrogénatomban	$2{,}0\x 10^{-8}$ [tíz]
A hangnyomás erőssége az emberi fülben a hallásküszöbön	$2{,}0\x 10^{-9}$ [tíz]

Az eredő erőrendszer

Ha több erő hat egy nem rögzített testre, akkor mindegyik olyan gyorsulást kölcsönöz a testnek, mint más erők hatása nélkül. Ezt a kísérleti tényeken alapuló állítást az erők működésének függetlenségének elvének (szuperpozíció elve ) nevezzük. Ezért a test gyorsulásának kiszámításakor a rá ható összes erőt egy erővel helyettesítjük, amelyet eredőnek nevezünk, nevezetesen az összes ható erő vektorösszegével . Abban az esetben, ha az eredő erők nullával egyenlőek, a test gyorsulása is nulla lesz.

Erők mérése

Az erők mérésére két módszert alkalmaznak: statikus és dinamikus [13] .

A statikus módszer abból áll, hogy a mért erőt kiegyenlítjük egy másik erővel, amelynek értéke ismert. Például a kiegyenlítő erő lehet az a rugalmas erő, amely a vizsgált erő által deformált, fokozatos rugóban lép fel. A dinamométernek nevezett műszerek a statikus módszer alkalmazásán alapulnak .
A dinamikus módszer a Newton-féle második törvény egyenletén alapul . Az egyenlet lehetővé teszi a testre ható erő meghatározását, ha ismert a test tömege és transzlációs mozgásának a tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerhez viszonyított gyorsulása . $m{\vec {a}}={\vec {F}}$ $\vec{F}$ $m$ ${\vec {a}}$

Az erő fogalmának történeti vonatkozása

Az ókori világban

Az emberiség először a nehéz tárgyak mozgásának közvetlen tapasztalatán keresztül kezdte felfogni az erő fogalmát. Az „erő”, „hatalom”, „munka” szinonimák voltak (mint a modern nyelvben a természettudományon kívül). A személyes érzések természeti tárgyakra való átadása antropomorfizmushoz vezetett : minden tárgynak, amely hatással lehet másokra (folyók, kövek, fák), élőnek kell lennie, az élőlényeknek ugyanazt az erőt kell tartalmazniuk, amelyet az ember önmagában érzett.

Az emberiség fejlődésével a hatalom istenültté vált, és az egyiptomi és a mezopotámiai hatalomistenek is nemcsak a kegyetlenséget és a hatalmat jelképezték, hanem a dolgok rendbetételét is az univerzumban [14] . A Biblia Mindenható Istene nevében és jelzőiben is a hatalommal asszociál [15] .

Az ókorban

Amikor a görög tudósok elkezdtek gondolkodni a mozgás természetén, az erő fogalma Hérakleitosznak a statikáról mint ellentétek egyensúlyáról szóló tanításának részeként merült fel [16] . Empedoklész és Anaxagorasz megpróbálták megmagyarázni a mozgás okát, és az erő fogalmához közel álló fogalmakhoz jutottak [16] . Anaxagorasznál az "elmét" a rajta kívül álló anyag hajtja [17] . Empedoklésznél a mozgást két elv, a "szeretet" (philia) és az "ellenség" (fóbia) [17] harca okozza , amelyet Platón vonzásnak és taszításnak tekintett [18] . Ugyanakkor az interakciót Platón szerint négy elemmel (tűz, víz, föld és levegő) magyarázták: a közeli dolgokat vonzzák, a föld a földhöz, a víz a vízhez, a tűz a tűzhöz [19] . Az ókori görög tudományban minden elemnek megvolt a maga helye a természetben is, amit igyekezett elfoglalni. Így például a gravitációs erőt kétféleképpen magyarázták: a hasonló dolgok vonzásával és az elemek vágyával, hogy átvegyék a helyüket [20] . Platóntól eltérően Arisztotelész következetesen a második pozíciót foglalta el, ami Newton idejére elhalasztotta a földi és égitestek mozgását magyarázó általános gravitációs erő fogalmát [20] .

Az erő fogalmának megjelölésére Platón a "dynamis" (a mozgás "lehetősége") kifejezést használta. A kifejezést kiterjesztett értelemben használták, közel a modern hatalomfogalomhoz : a kémiai reakciók, a hő és a fény is dinamizmus volt [21] .

Arisztotelész két különböző erőt vett figyelembe: magában a testben rejlő ("természet", physis) és azt az erőt, amellyel az egyik test húzza vagy löki a másikat (miközben a testeknek érintkezniük kell) [22] . Ez az erőfogalom képezte az arisztotelészi mechanika alapját, bár a dualizmus megakadályozta a két test közötti kölcsönhatás erejének mennyiségi meghatározását (mivel a súly egy természetes erő, amely nem kapcsolódik a kölcsönhatáshoz, ezért nem használható szabványként). [23] . Természetes mozgás esetén (nehéz test leesése vagy könnyű test felemelése) Arisztotelész a sebesség képletét javasolta a mozgó A mozgó test és a mozgás közegének sűrűségének arányában, B : v=A/B [24] (egyenlő sűrűség esetén nyilvánvaló probléma volt már a VI. században [25] ).

A III. században az egyszerű mechanizmusok tervezésének folyamatában az erők tanulmányozásával foglalkozott. időszámításunk előtt e. Archimedes [26] . Arkhimédész az erőket statikában és tisztán geometriailag vette figyelembe, ezért hozzájárulása az erő fogalmának kialakításához jelentéktelen [27] .

A sztoikusok hozzájárultak az erő fogalmának kidolgozásához . Tanításuk szerint az erők elválaszthatatlanul összekapcsolták két testet egy hosszú távú „szimpátia” vagy ( Posidoniusnál ) egy univerzális feszültség révén , amely minden teret áthat. A sztoikusok az árapály megfigyelésével jutottak erre a következtetésre , ahol a Hold, a Nap és a víz kölcsönhatását az óceánban nehéz volt megmagyarázni Arisztotelész rövid hatótávolságú akciójának helyzetéből (maga Arisztotelész úgy gondolta, hogy a Nap lenyugszik az óceánban , szelet okoz, ami árapályhoz vezet) [28] .

A preklasszikus mechanikában

Bacon és Ockham visszahozta a tudományba a távoli cselekvés gondolatát .

Bacon a nagy hatótávolságú erőket fajoknak nevezte (általában ezt a Bacon-specifikus kifejezést nem fordítják le), és a környezetben való eloszlásukat szoros kölcsönhatások láncolatának tekintette. Az ilyen erők Bacon szerint teljesen testi jellegűek voltak, a modern fizikában a legközelebbi megfelelője a hullám [29] .

Occam volt az első, aki elvetette az interakció közvetlen érintkezésként való arisztotelészi leírását, és kijelentette, hogy egy mozgató távolról is hathat a mozgatóra, példaként a mágnesekre hivatkozva [30] .

A v=A/B arisztotelészi képlet is átdolgozásra került. John Philopon már a 6. században az AB különbséget tekintette a jobb oldalnak, ami az azonos sűrűségű problémás helyzet mellett lehetővé tette a vákuumban történő mozgás leírását is [31] . A 14. században Bradwardine a v=log(A/B) képletet javasolta [32] .

Kepler

Kepler nézetei az erőről gyorsan megváltoztak. Kepler már 1600-ban az erőket a lélekhez hasonló tulajdonságnak tekintette, amely az égitestek mozgását szabályozza. Kepler azonban már 1605-ben arra a következtetésre jutott, hogy a vonzás nem cselekvés, hanem reakció, a vonzási erők az anyagi világhoz kapcsolódnak, és matematikai vizsgálat tárgyát képezik. 1607-ben Kepler arra a következtetésre jutott, hogy az árapályt a Hold gravitációjának az óceánokra gyakorolt hatása okozza [33] . M. Jenner szerint Kepler Newton előtt jutott el egy egységes gravitációs elmélet ötletéhez, amely a testek esését és a Hold mozgását egyaránt magában foglalja [34] .

A klasszikus mechanikában

A klasszikus mechanika megszületésével Beckmann és Descartes megfogalmazta a lendület megmaradásának törvényét . Miután felismerték ezt a tényt, amely eltemette az erő és a sebesség közötti arisztotelészi kapcsolatot, a kutatóknak két lehetőségük volt: az erőt a sebesség változásának okaként határozzák meg , vagy elvetik az erő fogalmát mint olyat. Kezdetben maga Descartes alkalmazta az erő fogalmát a test felgyorsult földre esésének magyarázatára, de idővel a fizika geometrizálására tett kísérlete során arra a következtetésre jutott, hogy az erő fogalma mesterséges, és 1629-ben leírta az erő fogalmát. a szabadesés folyamata az "erő" említése nélkül [35] . Másrészt Galileo egyértelműen az erőt tekintette a szabadesés sebességének növekedésének okának [36] .

Newton

Newton írásaiban az erő fogalma szorosan összekapcsolódott a gravitációval, mivel a bolygómozgás terén elért Kepleri-eredmények értelmezése akkoriban minden elmét foglalkoztatott [37] . Először fordul elő az erő ( lat. vis ) fogalma Newton „ Elveiben ” két összefüggésben: „belső erő” ( lat. vis insita ), newtoni tehetetlenségi erő és „alkalmazott erő” ( lat. vis impressa ) . , felelős a test mozgásának megváltoztatásáért . Newton külön is kiemelte a centripetális erőt (amelynek a gravitációt tulajdonította), amelynek többféle változata van: abszolút erő (hasonlóan a modern gravitációs térhez ), gyorsító erő (a tömegegységre eső gravitáció hatása, modern gyorsulás ) és hajtóerő (a gravitáció szorzata). tömeg és gyorsulás) [38] . Newton nem ad általános definíciót az erő fogalmára. Ahogy M. Jenner megjegyzi, Newton második törvénye nem maga a törvény szerzője által meghatározott erődefiníció (aki egyértelműen különbséget tett a definíciók és a törvények között), a Newton-erő egy már létező fogalom, intuitív módon egyenértékű az izomerővel [39] .

Modernitás

A 20. század végét az a viták jellemezték, hogy szükség van-e az erő fogalmára a tudományban, és hogy az erők elvileg léteznek-e – vagy ez csak kényelmi szempontok miatt bevezetett kifejezés [40] .

Bigelow és munkatársai 1988-ban azzal érveltek, hogy az erők alapvetően meghatározzák az ok-okozati összefüggést, ezért nem lehet elvetni [41] . M. Jammer ezt kifogásolta, hogy a Standard Modellben és más fizikai elméletekben az erőt csak a szögimpulzus cseréjeként értelmezik , ezért az erő fogalmát a részecskék közötti egyszerűbb "kölcsönhatásra" redukálják. Ezt a kölcsönhatást további részecskék ( fotonok , gluonok , bozonok és esetleg gravitonok ) cseréjével írják le [40] . Jammer a következő leegyszerűsített magyarázatot adja: két korcsolyázó vállvetve siklik a jégen, mindketten tartják a labdát. A gyors és egyidejű labdacsere visszataszító interakcióhoz vezet [42] .

Stinner megjegyzi, hogy a gravitációs és tehetetlenségi erők ekvivalenciájának einsteini elve lényegében megsemmisíti az erő fogalmát, az általános relativitáselméletben nincsenek külső erők (F az F=ma egyenletből) [43] .

Newtoni mechanika

Newton a tárgyak mozgásának leírására vállalkozott a tehetetlenség és az erő fogalmaival. Ezt követően megállapította, hogy minden mechanikus mozgásra az általános természetvédelmi törvények vonatkoznak . 1687- ben Newton kiadta híres munkáját " Mathematical Principles of Natural Philosophy ", amelyben felvázolta a klasszikus mechanika három alapvető törvényét ( Newton törvényei ) [44] [45] .

Newton első törvénye

Newton első törvénye kimondja, hogy vannak olyan vonatkoztatási rendszerek, amelyekben a testek nyugalmi állapotot vagy egyenletes egyenes vonalú mozgást tartanak fenn anélkül, hogy más testek hatást gyakorolnának rájuk, vagy ha ezek a hatások kölcsönösen kompenzálódnak [45] . Az ilyen vonatkoztatási rendszereket inerciálisnak nevezzük . Newton azt javasolta, hogy minden masszív (jelentése: „ tömeggel rendelkező ”, nem „terjedt”) tárgynak van egy bizonyos tehetetlenségi határa, amely jellemzi ennek az objektumnak a mozgásának „természetes állapotát”. Ez az elképzelés tagadja Arisztotelész nézetét, amely csak a pihenést tekintette egy tárgy „természetes állapotának”. Newton első törvénye ellentmond az arisztotelészi fizikának, melynek egyik rendelkezése az az állítás, hogy egy test csak erő hatására mozoghat állandó sebességgel. Az a tény, hogy a newtoni mechanikában inerciális vonatkoztatási rendszerekben a nyugalom nem különböztethető meg az egyenletes egyenes vonalú mozgástól, ez a Galilei-féle relativitáselv magyarázata . A testek összessége között alapvetően lehetetlen meghatározni, hogy melyikük van „mozgásban” és melyik „nyugalomban”. Mozgásról csak egy meghatározott vonatkoztatási rendszerrel kapcsolatban lehet beszélni. A mechanika törvényei minden inerciarendszerben ugyanazok, más szóval mechanikailag egyenértékűek . Ez utóbbi az úgynevezett galilei transzformációkból következik [46] .

Newton második törvénye

Newton második törvénye:

m{\vec {a}}={\vec {F}},

ahol egy anyagi pont tömege, gyorsulása, az alkalmazott erők eredője. Úgy tartják, hogy ez "a fizika második leghíresebb képlete" ("az első" a tömeg és az energia egyenértékűségének képlete ), bár maga Newton soha nem írta le kifejezetten ebben a formában a második törvényét. Ez a jogforma először található K. Maclaurin és L. Euler munkáiban . $m$ ${\vec {a}}$ $\vec{F}$

Newton harmadik törvénye

Bármely két testre (nevezzük őket 1. testnek és 2. testnek) Newton harmadik törvénye kimondja, hogy az 1. testnek a 2. testre ható erejét egy abszolút értékű, de ellentétes irányú erő megjelenése kíséri. 1. test a 2. testből [47] . Matematikailag a törvény a következőképpen van leírva:

{\vec {F}}_{{1,2}}=-{\vec {F}}_{{2,1}}.

Ez a törvény azt jelenti, hogy az erők mindig "cselekvés-reakció" párokban jönnek létre [45] .

Alapvető interakciók

A természetben minden erő négyféle alapvető kölcsönhatáson alapul. Minden típusú kölcsönhatás maximális terjedési sebessége megegyezik a vákuumban lévő fény sebességével . Elektromágneses erők hatnak az elektromosan töltött testek között, a gravitációs erők a tömeges tárgyak között. Az erősek és a gyengék csak nagyon kis távolságban jelennek meg, és felelősek a szubatomi részecskék közötti kölcsönhatásért , beleértve az atommagot alkotó nukleonokat is .

Az erős és gyenge kölcsönhatások intenzitását energiaegységekben ( elektronvolt ) mérik, nem pedig erőegységekben , ezért az „erő” kifejezés rájuk való használatát az ókor óta létező hagyomány magyarázza. a körülöttünk lévő világ jelenségei az egyes jelenségekre jellemző „erők” hatására.

Az erő fogalma nem alkalmazható a szubatomi világ jelenségeire. Ez a fogalom a klasszikus fizika arzenáljából származik, amely (még ha csak tudat alatt is) a távolról ható erőkről szóló newtoni elképzelésekhez kapcsolódik. A szubatomi fizikában már nincsenek ilyen erők: ezeket a részecskék közötti kölcsönhatások váltják fel, amelyek mezőkön keresztül jönnek létre, vagyis néhány más részecskék. Ezért a nagy energiájú fizikusok kerülik az erő szó használatát , helyette az interakció szóval [48] .

Az egyes típusok kölcsönhatása a megfelelő "hordozók" cseréjének köszönhető: elektromágneses - virtuális fotonok , gyenge vektorú bozonok , erős gluonok (és nagy távolságban - mezonok ). A gravitációs kölcsönhatásra vonatkozóan vannak olyan elméleti feltételezések (például a húrelméletben vagy az M-elméletben ), hogy saját hordozóbozonja, az úgynevezett graviton is kapcsolatba hozható vele , de létezése még nem bizonyított. Az 1970-es és 1980-as években végzett nagyenergiájú fizikai kísérletek megerősítették azt az elképzelést, hogy a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatások egy globálisabb elektrogyenge kölcsönhatás megnyilvánulásai [49] . Jelenleg kísérletek folynak mind a négy alapvető kölcsönhatás egyesítésére (az úgynevezett nagy egységes elmélet ).

Gravitáció

A gravitáció ( gravitációs erő ) egy univerzális kölcsönhatás bármilyen anyag között . A klasszikus mechanika keretein belül az egyetemes gravitáció törvénye írja le , amelyet Newton a már említett „ Mathematical Principles of Natural Philosophy ” című művében fogalmazott meg . Newton megkapta annak a gyorsulásnak a nagyságát, amellyel a Hold mozog a Föld körül , feltételezve a számítás során, hogy a gravitációs erő fordítottan csökken a gravitációs test távolságának négyzetével. Ezenkívül azt is megállapította, hogy az egyik testnek a másik általi vonzásából adódó gyorsulás arányos e testek tömegének szorzatával [50] . E két következtetés alapján fogalmazódott meg a gravitáció törvénye: bármely anyagrészecskék olyan erővel vonzódnak egymás felé , amely egyenesen arányos a tömegek ( és ) szorzatával, és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével : $F$ $m_1$ $m_2$ $r$

F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{R^{2}}}.

Íme a gravitációs állandó [51] , amelynek értékét először Henry Cavendish szerezte meg kísérletei során . Ennek a törvénynek a segítségével képleteket kaphatunk tetszőleges alakú testek gravitációs erejének kiszámításához. Newton gravitációs elmélete jól leírja a Naprendszer bolygóinak és sok más égitestnek a mozgását. Ez azonban a hosszú távú cselekvés koncepcióján alapul , ami ellentmond a relativitáselméletnek . Ezért a klasszikus gravitációs elmélet nem alkalmazható a fénysebességhez közeli sebességgel mozgó testek mozgásának, a rendkívül nagy tömegű objektumok (például fekete lyukak ) gravitációs mezőinek, valamint az általa létrehozott változó gravitációs mezők leírására. tőlük nagy távolságra mozgó testek [52] . $G$

A gravitáció általánosabb elmélete Albert Einstein általános relativitáselmélete . Ebben a gravitációt nem a vonatkoztatási rendszertől nem függő invariáns erő jellemzi. Ehelyett a testek gravitációs térben történő szabad mozgását, amelyet a megfigyelő görbe pályák mentén, változó sebességű háromdimenziós téridőben történő mozgásként érzékel, tehetetlenségi mozgásnak tekinti egy geodéziai vonal mentén egy görbe négydimenziós térben. -idő, amelyben az idő különböző pontokon eltérően folyik. Sőt, ez a vonal bizonyos értelemben "a legközvetlenebb" - olyan, hogy egy adott test két téridő-pozíciója közötti tér-idő intervallum (a megfelelő idő ) maximális. A tér görbülete függ a testek tömegétől, valamint a rendszerben jelenlévő összes energiatípustól [1] .

Elektromágneses kölcsönhatás

Elektrosztatikus mező (fix töltések mezője)

A fizika Newton utáni fejlődése a három alapmennyiséghez ( hossz , tömeg , idő ) hozzáadott egy "coulomb" (C) dimenziójú elektromos töltést . A gyakorlat követelményei alapján azonban nem a töltés mértékegységét, hanem az elektromos áram mértékegységét kezdték használni fő mértékegységként . Tehát az SI rendszerben az alapegység az amper , a töltés mértékegysége - függő - ennek származéka.

Mivel a töltés mint olyan nem létezik az azt hordozó testtől függetlenül, a testek elektromos kölcsönhatása a mechanikában figyelembe vett erő formájában jelentkezik, ami gyorsulást okoz. A vákuumban elhelyezkedő két pontszerű töltés elektrosztatikus kölcsönhatásával kapcsolatban a Coulomb-törvényt használják . Az SI rendszernek megfelelő formában ez a következő: $q_{1}$ $q_{2}$

{\vec {F}}_{{12}}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{ r_{{12}}^{2}}}{\frac {{\vec {r}}_{{12}}}{r_{{12}}}},

ahol az az erő, amellyel az 1. töltés hat a 2. töltésre, egy vektor, amely az 1. töltésről a 2. töltésre irányul, és abszolút értékében egyenlő a töltések közötti távolsággal, és elektromos állandója ≈ 8,854187817•10 −12 F /m. Ha töltéseket helyezünk homogén és izotróp közegbe, a kölcsönhatási erő ε-szeresével csökken, ahol ε a közeg permittivitása. $\vec{F}_{12}$ $\vec{r}_{12}$ $\varepszilon_{0}$

Az erő a ponttöltéseket összekötő egyenes mentén irányul. Grafikusan az elektrosztatikus mezőt általában erővonalak képeként ábrázolják, amelyek képzeletbeli pályák, amelyek mentén egy tömeg nélküli töltött részecske mozogna. Ezek a vonalak az egyik töltéssel kezdődnek és egy másik töltéssel végződnek.

Magnetosztatikus mező (DC mező)

A mágneses mező létezését már a középkorban felismerték a kínaiak, akik a "szerető követ" - egy mágnest - a mágneses iránytű prototípusaként használták. Grafikusan a mágneses mezőt általában zárt erővonalakként ábrázolják, amelyek sűrűsége (mint az elektrosztatikus mező esetében) határozza meg annak intenzitását. Történelmileg a vasreszelék , amelyeket például egy mágnesre helyezett papírlapra öntöttek, vizuális módot jelentettek a mágneses mező megjelenítésére.

Oersted megállapította, hogy a vezetőn átfolyó áram a mágnestű elhajlását okozza.

Faraday arra a következtetésre jutott, hogy az áramot vezető vezeték körül mágneses mező jön létre.

Ampere olyan hipotézist fogalmazott meg, amelyet a fizikában a mágneses mező kialakulásának folyamatának modelljeként ismernek fel, amely feltételezi az anyagokban mikroszkopikus zárt áramok létezését, amelyek együttesen biztosítják a természetes vagy indukált mágnesesség hatását.

Ampere azt is megállapította, hogy egy vákuumban lévő referenciakeretben, amelyhez képest a töltés mozgásban van, azaz elektromos áramként viselkedik , mágneses tér keletkezik, amelynek intenzitását a töltésben lévő mágneses indukciós vektor határozza meg . a töltés irányára merőleges sík. ${\vec {B}}$

Ugyanaz az Amper először mérte meg két párhuzamos vezető kölcsönhatási erejét a rajtuk átfolyó áramokkal. Az egyik vezető mágneses teret hozott létre maga körül, a másik erre a térre reagálva mérhető erővel közeledett vagy távolodott, tudva, hogy melyik és mekkora az áramerősség, meg lehetett határozni a mágneses indukciós vektor modulusát.

Az egymáshoz képest nem mozgásban lévő elektromos töltések közötti erőkölcsönhatást a Coulomb-törvény írja le. Az ilyen mozgásban lévő töltések azonban mágneses mezőket is generálnak , amelyeken keresztül a töltések mozgásából származó áramok általában erőkölcsönhatásba kerülnek.

Az alapvető különbség a töltések relatív mozgásából adódó erő és stacionárius elhelyezésük esete között ezen erők geometriájának különbsége. Elektrosztatika esetén két töltés kölcsönhatási ereje az őket összekötő vonal mentén irányul. Ezért a feladat geometriája kétdimenziós, és a mérlegelés az ezen az egyenesen áthaladó síkban történik.

Az áramok esetében az áram által létrehozott mágneses teret jellemző erő az áramra merőleges síkban helyezkedik el. Ezért a jelenség képe háromdimenzióssá válik. Az első áram eleme által létrehozott, végtelenül kis hosszúságú mágneses tér a második áram ugyanazon elemével kölcsönhatásba lépve általános esetben rá ható erőt hoz létre. Ráadásul ez a kép mindkét áram esetében teljesen szimmetrikus abban az értelemben, hogy az áramok számozása tetszőleges.

Az áramok kölcsönhatásának törvénye az egyenáram szabványosítására szolgál.

Erős interakció

Az erős erő a hadronok és kvarkok közötti alapvető rövid hatótávolságú erő . Az atommagban az erős erő a pozitív töltésű (elektrosztatikus taszítást tapasztaló) protonokat tartja össze, ez a nukleonok (protonok és neutronok) közötti pi-mezonok cseréjén keresztül történik. A Pi-mezonok nagyon keveset élnek, élettartamuk csak az atommag sugarán belüli nukleáris erők biztosítására elegendő, ezért a nukleáris erőket rövid hatótávolságúnak nevezik. A neutronok számának növekedése "hígítja" az atommagot, csökkentve az elektrosztatikus erőket és növelve a nukleáris erőket, de nagyszámú neutron esetén maguk, fermionok lévén, a Pauli-elv miatt taszítást tapasztalnak . Illetve, ha a nukleonok túl közel vannak egymáshoz, megindul a W-bozonok cseréje, ami taszítást okoz, aminek köszönhetően az atommagok nem „omlanak össze”.

Magukban a hadronokban az erős erő tartja össze a hadronokat alkotó kvarkokat . Az erős mezőkvantumok a gluonok . Minden kvark három "szín" töltés egyikével rendelkezik, minden gluon egy "szín" - "anticolor" párból áll. A gluonok a kvarkokat az úgynevezett „ bezártságba ” kötik, ami miatt a kísérletben jelenleg nem figyeltek meg szabad kvarkokat. Amikor a kvarkok eltávolodnak egymástól, a gluonkötések energiája nő, és nem csökken, mint a magkölcsönhatás esetén. Sok energia elköltése után (hadronok ütköztetésével a gyorsítóban) megszakadhat a kvark-gluon kötés , de ebben az esetben új hadronok sugára kilökődik. A szabad kvarkok azonban létezhetnek az űrben: ha egy kvarknak sikerült kiszabadulnia a bezártságból az ősrobbanás során , akkor annak a valószínűsége, hogy a megfelelő antikvarkkal megsemmisül, vagy színtelen hadronná alakul, eltűnőben kicsi.

Gyenge interakció

A gyenge kölcsönhatás az alapvető rövid távú kölcsönhatás. Hatótávolság 10 −18 m. Szimmetrikus a térbeli inverzió és a töltéskonjugáció kombinációja tekintetében. Minden alapvető fermion ( leptonok és kvarkok ) részt vesz a gyenge kölcsönhatásban. Ez az egyetlen kölcsönhatás, amelyben a neutrínók részt vesznek (a gravitációt leszámítva , amely elhanyagolható a laboratóriumban), ami megmagyarázza e részecskék hatalmas áthatoló erejét. A gyenge kölcsönhatás lehetővé teszi a leptonok, kvarkok és antirészecskéik számára, hogy energiát , tömeget , elektromos töltést és kvantumszámokat cseréljenek, azaz egymásba forduljanak. Ennek egyik megnyilvánulása a béta-bomlás .

Származtatott erőtípusok

A természetben megnyilvánuló erők sokfélesége elvileg az előző részben bemutatott négy alapvető erőre redukálható.

Például a súrlódás két érintkező felület atomjai között ható elektromágneses erők megnyilvánulása , illetve a Pauli-féle kizárási elv [53] , amely nem engedi, hogy az atomok egymás területére hatoljanak be. A rugó Hooke-törvényében leírt alakváltozásából eredő erő szintén a részecskék közötti elektromágneses erők hatásának és a Pauli-féle kizárási elvnek az eredménye, ami arra kényszeríti az anyag kristályrácsának atomjait, hogy az egyensúlyi helyzet közelében legyenek. [1] . A gravitáció a bolygót érő alapvető gravitációs vonzás eredménye.

A gyakorlatban azonban a különböző erők természetének ilyen részletezése gyakran helytelennek vagy lehetetlennek bizonyul. Ezért azokat az erőket, amelyek az alapvető erők „származékai”, általában a testek kölcsönhatásának független jellemzőinek tekintik, és saját neveik vannak: „feszítőerő”, „van der Waals-erő” és mások (lásd a névjegyzéket). erők a fizikában ).

Tehetetlenségi erő

A tehetetlenségi erő a nem inerciális vonatkoztatási rendszerekbe bevezetett erő . A tehetetlenségi erők bevezetése azért történik, hogy a nem inerciális vonatkoztatási rendszerekben lévő testek mozgásegyenletei ugyanazt a formát kapják, mint a Newton második törvényének egyenlete inerciarendszerekben. Ez a megközelítés számos esetben lehetővé teszi a mozgás figyelembe vételének kényelmesebbé, látványosabbá tételét, a megfelelő problémák megoldását pedig egyszerűbbé.

Különösen az egyenletesen gyorsított mozgó testhez tartozó vonatkoztatási rendszerben a tehetetlenségi erő a gyorsulással ellentétes irányban irányul. A teljes tehetetlenségi erőből, amely a hordozható és a Coriolis összege, a kényelem kedvéért megkülönböztethető a centrifugális erő és a Coriolis erő .

A tehetetlenségi erők alapvetően különböznek az összes többi erőtől, mivel nem felelnek meg a testek valódi kölcsönhatásának. Ugyanakkor a tehetetlenségi és a gravitációs tömegek egyenlősége miatt a gravitációs és tehetetlenségi erő ekvivalenciájának elve szerint lokálisan lehetetlen megkülönböztetni, hogy egy adott testre melyik erő hat - gravitációs vagy tehetetlenségi erő. .

Az elemi fizikában nem javasolt a "tehetetlenségi erő" kifejezés használata , mivel alapértelmezés szerint az elemi fizika összes mozgásegyenlete az inerciális vonatkoztatási rendszerekhez viszonyított mozgást írja le, és az "erő" fogalma mindig valamilyen külső objektum hatásához kapcsolódik, és önmagában nem létezhet. A tehetetlenségi erő feltüntetését a testre ható erők diagramján az elemi fizika tantárgyak hibának értékelik.

Lásd még

Jegyzetek

↑ 1 2 3 Feynman, RP, Leighton, RB, Sands, M. Lectures on Physics, 1. kötet (határozatlan idejű) . - Addison-Wesley , 1963. (angol)
↑ Coelho, 2010 , p. 91.
↑ Coelho, 2010 .
↑ A. A. Ivin , A. L. Nikiforov , Logikai szótár (lásd "műveleti meghatározás" ). - M .: Tumanit, szerk. központ VLADOS (1997).
↑ I. Butikov, A. S. Kondratiev. 15. § Tehetetlenség. Newton első törvénye // Fizika a mélyreható tanulmányozáshoz 1. Mechanika. - S. 85, 87.
↑ Rupert W. Anderson. A kozmikus kompendium: Az ősrobbanás és a korai világegyetem . — Lulu.com, 2015-03-28. - S. 86. - 244 p. — ISBN 9781329024182 .
↑ 1 2 3 Tarasov V. N., Boyarkina I. V., Kovalenko M. V., Fedorchenko N. P., Fisenko N. I. Elméleti mechanika. - M., TransLit, 2012. - C. 24-25
↑ V. I. Grigorjev. [bse.sci-lib.com/article008164.html Galilei relativitáselv] . TSB , 3. kiadás (1969-1978). — „…az erők… invariánsai a klasszikus mechanikában, pl. olyan mennyiségek, amelyek nem változnak az egyik vonatkoztatási rendszerből a másikba való átmenet során. Letöltve: 2020. december 12. (határozatlan)
↑ Kabardin O.F., Orlov V.A., Ponomareva A.V. Fakultatív fizika tantárgy. 8. évfolyam. - M .: Oktatás , 1985. - Példányszám 143 500 példány. — S. 208
↑ 1 2 3 4 Kabardin O.F., Orlov V.A., Ponomareva A.V. Fakultatív fizika tantárgy. 8. évfolyam. - M .: Oktatás , 1985. - 3. kiadás, átdolgozott. — 208 p. – Példányszám 143 500 példány.
↑ Az adatok a Wikipédia Szojuz (indító) cikkéből származnak
↑ Az adatok a Wikipédia TEP70 cikkéből származnak
↑ Targ S. M. Strength // Fizikai enciklopédia : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 494. - 704 p. - 40.000 példány. - ISBN 5-85270-087-8 .
↑ Jammer, 1999 , p. 18-20.
↑ Jammer, 1999 , p. 21.
↑ 1 2 Jammer, 1999 , p. 25.
↑ 1 2 Jammer, 1999 , p. 26.
↑ Jammer, 1999 , p. 27.
↑ Jammer, 1999 , p. 31.
↑ 1 2 Jammer, 1999 , p. 32.
↑ Jammer, 1999 , p. 34-35.
↑ Jammer, 1999 , p. 36.
↑ Jammer, 1999 , p. 35-39.
↑ Jammer, 1999 , p. 39.
↑ Jammer, 1999 , p. 66.
↑ Heath, TL Archimedes művei (1897) . Archive.org. Letöltve: 2007. október 14. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 23.. (határozatlan) (Angol)
↑ Jammer, 1999 , p. 41.
↑ Jammer, 1999 , p. 41-42.
↑ Jammer, 1999 , p. 60.
↑ Jammer, 1999 , p. 64.
↑ Stinner 1994 , p. 79.
↑ Jammer, 1999 , p. 66-67.
↑ Jammer, 1999 , p. 81-83.
↑ Jammer, 1999 , p. 84.
↑ Jammer, 1999 , p. 103-104.
↑ Jammer, 1999 , p. 101.
↑ Jammer, 1999 , p. 116-117.
↑ Jammer, 1999 , p. 119-120.
↑ Jammer, 1999 , p. 124.
↑ 1 2 Jammer, 1999 , p. v.
↑ John Bigelow, Brian Ellis és Robert Pargetter. Erők // Tudományfilozófia 55, sz. 4 (1988. december): 614-630. doi : 10.1086 / 289464
↑ Jammer, 1999 , p. v-vi.
↑ Stinner 1994 , p. 83-84.
↑ Egyetemi fizika , Sears, Young & Zemansky, pp. 18-38 (angol)
↑ 1 2 3 Newton, I. A természetfilozófia matematikai alapelvei . - University of California Press, 1999. - ISBN 0-520-08817-4 . (Angol)
↑ Multanovsky V. V. Elméleti fizika tanfolyam. Klasszikus mechanika. A speciális relativitáselmélet alapjai. Relativisztikus mechanika. - M .: Nevelés, 1988. - S. 80−81.
↑ Henderson, Tom 4. lecke: Newton harmadik mozgástörvénye (a link nem érhető el) . A fizikatanterem (1996-2007). Letöltve: 2008. január 4. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 23.. (határozatlan) (Angol)
↑ Capra, Fritjof DAO OF FIZIKA. SPb., "ORIS" * "YANA-PRINT". 1994 304 p. ISBN 5-88436-021-5
↑ Weinberg, S. Álmok egy végső elméletről. - Vintage Books USA, 1994. - ISBN 0-679-74408-8 . (Angol)
↑ Egyetemi fizika , Sears, Young & Zemansky, pp. 59-82 _
↑ Sir Isaac Newton: A gravitáció egyetemes törvénye . Csillagászat 161 A Naprendszer . Letöltve: 2008. január 4. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 23.. (határozatlan) (Angol)
↑ "Gravitáció". Novikov ID // Fizikai enciklopédia. Ch. szerk. Prohorov A. M. - M. : "Nagy orosz enciklopédiák", 1998. - T. 5. - S. 188-193. — 760 p. — ISBN 5-85270-101-7 .
↑ Nave, R. Pauli Kizárási elv . Hiperfizika***** Kvantumfizika . Letöltve: 2008. január 2. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 23.. (határozatlan) (Angol)

Irodalom

Grigorjev V. I., Myakishev G. Ya. - "Erők a természetben"
Landau L. D. , Lifshits E. M. Mechanics. - 5. kiadás, sztereotip. — M .: Fizmatlit , 2004. — 224 p. - (" Elméleti fizika ", I. kötet). - ISBN 5-9221-0055-6 .
Útmutató az erő méréséhez – készítette: The Institute of Measurement and Control, London (megjelent 1998-ban, újrakiadva 2013-ban) – ISBN 0 904457 28 1
Jammer, Max . Az erő fogalmai. - Mineola, NY: Dover Publications Inc., 1999. - ISBN 0-486-40689-X . (Angol)
Stinner, Arthur. Az erő története: Arisztotelésztől Einsteinig (angol) // Fizikaoktatás. - 1994. - 1. évf. 29 , sz. 2 . - 77-85 . o .
Ricardo Lopes Coelho. Az erő fogalmáról: Hogyan javíthatja történetének megértése a fizikatanítást // Sci & Educ. - 2010. - 20. évf. 19 . — P. 91-113 . - doi : 10.1007/s11191-008-9183-1 .

Szótárak és enciklopédiák	Nagy katalán Nagy norvég Nagy orosz Brockhaus és Efron a világ körül Kis Brockhaus és Efron Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4032651-2 J9U : 987007543324305171 LCCN : sh85050452 NDL : 00926874 NKC : ph314949