Vahvuus

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 12. helmikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 9 muokkausta .

Vahvuus
$\F$
Ulottuvuus	LMT- 2
Yksiköt
SI	newton
GHS	Dina
Huomautuksia
vektorisuure

Voima on fyysinen vektorisuure , joka mittaa muiden kappaleiden tai kenttien vaikutusta tiettyyn kehoon . Voiman käyttö aiheuttaa muutoksen kehon nopeudessa tai muodonmuutoksia ja mekaanisia rasituksia . Muodonmuutoksia voi tapahtua sekä itse rungossa että sitä kiinnittävissä esineissä - esimerkiksi jousissa.

Muiden kappaleiden vaikutus kehoon tapahtuu aina kehon luomien ja kyseisen kehon havaitsemien kenttien kautta. Erilaiset vuorovaikutukset tiivistyvät neljään perustavanlaatuiseen vuorovaikutukseen ; hiukkasfysiikan standardimallin mukaan nämä perustavanlaatuiset vuorovaikutukset ( heikko , sähkömagneettinen , vahva ja mahdollisesti gravitaatio ) toteutuvat mittabosonien vaihdon kautta [1] .

Vahvuuden osoittamiseen käytetään yleensä symbolia F - lat. fortis (vahva).

Voimalle ei ole yleisesti hyväksyttyä määritelmää, nykyaikaisissa fysiikan oppikirjoissa voimaa pidetään kiihtyvyyden syynä [2] . Tärkein fyysinen laki, joka sisältää voiman, on Newtonin toinen laki . Se sanoo, että inertiavertailujärjestelmissä materiaalipisteen kiihtyvyys suuntaan osuu yhteen resultanttivoiman kanssa, ts. kehoon kohdistettujen voimien summa ja modulissa on suoraan verrannollinen resultantin moduuliin ja kääntäen verrannollinen materiaalipisteen massaan.

Venäjän kielen sana "valta" on moniselitteinen ja sitä käytetään usein (yksinään tai yhdistelminä, tieteessä ja jokapäiväisissä tilanteissa) muissakin merkityksissä kuin termin fyysisessä tulkinnassa.

Yleistä tietoa

Vahvuuden määritelmästä

Määrittävän kaavan vahvuudella , jossa ellipsin sijasta olisi konstruktio muista suureista, ei ole olemassa. Standardoitua sanallista määritelmää ei myöskään ole - ja tästä aiheesta on keskusteltu suurimpien tutkijoiden kanssa Newtonin ajoista lähtien [3] . Yritys ottaa käyttöön voima massan ja kiihtyvyyden tulona tai kimmoisuus- ja venymäkertoimena ( -ort ) muuttaisi Newtonin toisen lain tai Hooken lain tautologiaksi . ${\vec {F}}\,\,{\stackrel {def}{=}}\ldots$ $m{\vec {a}}$ $k\Delta l\cdot {\vec {e}}_{x}$ $\vec{e}_x$

Voiman teoreettisen (semanttisen) määritelmän puuttuminen voidaan korvata sen mittausmenetelmän kuvauksella yhdessä tarkasteltavana olevan suuren ominaisuuksien kuvauksen kanssa. Tämä muodostaa logiikan kannalta ns. operatiivisen määritelmän [4] .

Lujuusominaisuudet

Voima on vektorisuure . Sille on ominaista moduuli , suunta ja sovelluskohta . He käyttävät myös käsitettä voiman vaikutuslinja , joka tarkoittaa suoraa linjaa, joka kulkee voiman kohdistamispisteen kautta, jota pitkin voima on suunnattu.

Voiman riippuvuus kappaleiden välisestä etäisyydestä voi olla eri muotoinen, mutta pääsääntöisesti suurilla etäisyyksillä voima pyrkii nollaan - siksi siirtämällä tarkasteltavaa kappaletta pois muista kappaleista syntyy "poissaolo" -tilanne. ulkoisten voimien vaikutus” on varmistettu hyvällä tarkkuudella [5] . Poikkeukset ovat mahdollisia joissakin pimeään energiaan liittyvissä kosmologian ongelmissa [6] .

Perusvuorovaikutusten tyypin mukaan jaottelun lisäksi on olemassa muita voimien luokituksia, mukaan lukien: ulkoinen-sisäinen (eli tietyn mekaanisen järjestelmän aineellisiin pisteisiin (kappaleisiin) vaikuttaminen aineellisista pisteistä (kappaleista), jotka eivät kuulu joukkoon tähän järjestelmään ja tietyn järjestelmän aineellisten pisteiden (kappaleiden) välisiin vuorovaikutusvoimiin [7] ), potentiaaliin ja ei ( mahdollisesti onko tutkittavien voimien kenttä), elastisia - dissipatiivisia , keskittyneitä-jakautuneita (sovellettu yhdessä tai monta pistettä), vakio tai muuttuva ajassa.

Siirtyessä inertiaalisesta viitekehyksestä toiseen voimien muunnos tapahtuu samalla tavalla kuin vastaavan luonteiset kentät (esimerkiksi sähkömagneettiset, jos voima on sähkömagneettinen). Klassisessa mekaniikassa voima on Galilean muunnosten invariantti [8] .

Voimajärjestelmä on joukko voimia, jotka vaikuttavat kyseiseen kehoon tai mekaanisen järjestelmän pisteisiin. Kahta voimajärjestelmää kutsutaan ekvivalentiksi, jos niiden vaikutus yksittäin samaan jäykkään kappaleeseen tai materiaalipisteeseen on sama muiden tekijöiden ollessa sama [7] .

Tasapainotettu voimien järjestelmä (tai nollaa vastaava voimajärjestelmä) on voimien järjestelmä, jonka vaikutus jäykkään kappaleeseen tai materiaalipisteeseen ei johda niiden kinemaattisen tilan muutokseen [7] .

Voiman mitta

Voiman ulottuvuus kansainvälisessä määräjärjestelmässä ( English International System of Quantities, ISQ ), johon kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI) perustuu, ja LMT -suureiden järjestelmässä , jota käytetään CGS -järjestelmän perustana. yksikköä , on LMT −2 . SI:n mittayksikkö on newton (venäläinen nimitys: N; kansainvälinen: N), CGS-järjestelmässä - dyna (venäläinen nimitys: dyn, kansainvälinen: dyn).

Esimerkkejä voima-arvoista

	Vahvuus (N)
Auringon ja maan välinen vetovoima	$3{,}5\times 10^{22}$ [kymmenen]
Maan ja kuun välinen vetovoima	$2{,}0\times 10^{20}$ [kymmenen]
Kantoraketin "Sojuz" ensimmäisen ja toisen vaiheen moottoreiden työntövoima	$4{,}0\kertaa 10^{6}$ [yksitoista]
Dieselveturin 2TE70 vetovoima	$6{,}1\times 10^{5}$ [12]
Vetyatomin elektronin ja protonin välinen vetovoima	$2{,}0\times 10^{-8}$ [kymmenen]
Äänenpaineen voimakkuus ihmisen korvassa kuulokynnyksellä	$2{,}0\times 10^{-9}$ [kymmenen]

Tuloksena oleva voimajärjestelmä

Jos kiinnittämättömään kappaleeseen kohdistetaan useita voimia, jokainen niistä antaa keholle sellaisen kiihtyvyyden, jonka se antaisi ilman muiden voimien vaikutusta. Tätä kokeellisiin tosiasioihin perustuvaa väitettä kutsutaan voimien toiminnan riippumattomuuden periaatteeksi (superpositioperiaate ). Siksi, kun lasketaan kappaleen kiihtyvyyttä, kaikki siihen vaikuttavat voimat korvataan yhdellä voimalla, jota kutsutaan resultantiksi, nimittäin kaikkien vaikuttavien voimien vektorisummaksi . Erityisessä tapauksessa, jossa resultanttivoimat ovat yhtä suuria kuin nolla, kappaleen kiihtyvyys on myös nolla.

Measuring Forces

Voimien mittaamiseen käytetään kahta menetelmää: staattista ja dynaamista [13] .

Staattisessa menetelmässä mitattu voima tasapainotetaan toisella voimalla, jonka arvo on tiedossa. Tasapainotusvoima voi olla esimerkiksi kimmovoima, joka esiintyy asteittaisessa jousessa, jota tutkittava voima muuttaa muotoaan. Mittarit, joita kutsutaan dynamometreiksi , perustuvat staattisen menetelmän käyttöön .
Dynaaminen menetelmä perustuu Newtonin toisen lain yhtälön käyttöön . Yhtälön avulla voit löytää kehoon vaikuttavan voiman, jos tunnetaan kappaleen massa ja sen translaatioliikkeen kiihtyvyys suhteessa inertiaaliseen vertailukehykseen. $m{\vec {a}}={\vec {F}}$ $\vec{F}$ $m$ ${\vec {a}}$

Voiman käsitteen historiallinen puoli

Muinaisessa maailmassa

Ihmiskunta alkoi ensin havaita voiman käsitteen raskaiden esineiden liikkeen suoran kokemuksen kautta. "Voima", "voima", "työ" olivat synonyymejä (kuten nykykielessä luonnontieteen ulkopuolella). Henkilökohtaisten tuntemusten siirtyminen luonnollisiin esineisiin johti antropomorfismiin : kaikkien esineiden, jotka voivat vaikuttaa muihin (joet, kivet, puut), on oltava elossa, elävissä olennoissa on oltava sama voima, jonka ihminen koki itsestään.

Ihmiskunnan kehittyessä valta jumalallistui, ja sekä egyptiläiset että mesopotamialaiset voimanjumalat symboloivat paitsi julmuutta ja valtaa myös maailmankaikkeuden asioiden järjestämistä [14] . Raamatun Kaikkivaltias Jumala yhdistää myös voiman nimensä ja epiteetit [15] .

Antiikin aikana

Kun kreikkalaiset tiedemiehet alkoivat ajatella liikkeen luonnetta, voiman käsite syntyi osana Herakleitoksen opetuksia statiikasta vastakohtien tasapainona [16] . Empedocles ja Anaxagoras yrittivät selittää liikkeen syytä ja päätyivät käsitteisiin, jotka ovat lähellä voiman käsitettä [16] . Anaxagorasissa "mieliä" ohjaa sen ulkopuolinen aine [17] . Empedokleksessa liikkeen aiheuttaa kahden periaatteen, "rakkauden" (philia) ja "vihollisuuden" (fobia) kamppailu [17] , joita Platon piti vetovoimana ja vastenmielisenä [18] . Samaan aikaan vuorovaikutus selitettiin Platonin mukaan neljällä elementillä (tuli, vesi, maa ja ilma): läheiset asiat houkuttelevat, maa maahan, vesi veteen, tuli tuleen [19] . Antiikin Kreikan tieteessä jokaisella elementillä oli myös paikkansa luonnossa, jota se yritti miehittää. Siten esimerkiksi painovoimaa selitettiin kahdella tavalla: samankaltaisten asioiden vetovoimalla ja elementtien halulla ottaa paikkansa [20] . Toisin kuin Platon, Aristoteles oli johdonmukaisesti toisella sijalla, mikä lykkäsi yleisen painovoiman käsitystä, joka selittäisi maan ja taivaankappaleiden liikkeet, Newtonin aikaan [20] .

Voiman käsitteen määrittelemiseksi Platon käytti termiä "dynamis" (liikkeen "mahdollisuus". Termiä käytettiin laajennetussa merkityksessä, lähellä nykyaikaista tehokäsitettä : kemialliset reaktiot, lämpö ja valo olivat myös dynamioita [21] .

Aristoteles käsitteli kahta erilaista voimaa: kehossa itsessään ("luonto", physis) kuuluvaa voimaa ja voimaa, jolla yksi keho vetää tai työntää toista (kun kehojen on oltava kosketuksessa) [22] . Juuri tämä voiman käsite muodosti aristotelilaisen mekaniikan perustan, vaikka dualismi esti kahden kappaleen välisen vuorovaikutusvoiman kvantitatiivisen määrittämisen (koska paino oli luonnollinen voima, joka ei liity vuorovaikutukseen, eikä sitä siksi voitu käyttää standardina) [23] . Luonnollisen liikkeen (raskas kappaleen putoaminen tai kevyen kappaleen nostaminen) tapauksessa Aristoteles ehdotti nopeuden kaavaa liikkuvan kappaleen A tiheyksien suhteen muodossa, jonka kautta liike tapahtuu, B : v=A/B [24] (ilmeinen ongelma yhtäläisten tiheyksien tapauksessa havaittiin jo VI vuosisadalla [25] ).

Hän osallistui voimien tutkimukseen yksinkertaisten mekanismien suunnitteluprosessissa III vuosisadalla. eKr e. Archimedes [26] . Arkhimedes käsitteli voimia staattisesti ja puhtaasti geometrisesti, ja siksi hänen panoksensa voiman käsitteen kehittämisessä on merkityksetön [27] .

Stoalaiset osallistuivat voiman käsitteen kehittämiseen . Heidän opetuksensa mukaan voimat liittivät erottamattomasti kahta kehoa pitkän kantaman "sympatian" kautta tai ( Posidoniuksessa ) universaalin jännitteen kautta , joka läpäisee kaiken tilan. Stoikot tulivat näihin johtopäätöksiin tarkkailemalla vuorovesi , jossa Kuun, Auringon ja veden vuorovaikutusta valtameressä oli vaikea selittää Aristoteleen lyhyen kantaman toiminnan sijainnista (Aristoteles itse uskoi, että aurinko laskeutui valtamereen , aiheuttaa tuulia, jotka johtavat vuorovesiin) [28] .

Esiklassisessa mekaniikassa

Bacon ja Ockham toivat takaisin tieteeseen ajatuksen etätoiminnasta .

Bacon kutsui pitkän kantaman voimia lajeiksi (yleensä tätä Bacon-spesifistä termiä ei käännetä) ja piti niiden leviämistä ympäristössä läheisten vuorovaikutusten ketjuna. Tällaisilla voimilla oli Baconin mukaan täysin ruumiillinen luonne, lähin vastine modernissa fysiikassa on aalto [29] .

Occam oli ensimmäinen, joka hylkäsi aristotelilaisen kuvauksen vuorovaikutuksesta suorana kontaktina ja julisti liikkujan mahdollisuuden vaikuttaa liikkujaan etäältä, mainitsemalla magneetit yhtenä esimerkkinä [30] .

Myös aristotelilainen kaava v=A/B tarkistettiin. Jo 500-luvulla John Philopon piti eroa AB oikeana puolena, mikä mahdollisti identtisten tiheyksien ongelmatilanteen lisäksi myös liikkeen kuvaamisen tyhjiössä [31] . 1300-luvulla Bradwardine ehdotti kaavaa v=log(A/B) [32] .

Keplerin

Keplerin näkemykset voimasta muuttuivat nopeasti. Kepler piti voimia jo vuonna 1600 sielun kaltaisena ominaisuutena, joka ohjaa taivaankappaleiden liikettä. Kuitenkin jo vuoteen 1605 mennessä Kepler tuli siihen tulokseen, että vetovoima ei ole toiminta, vaan reaktio, vetovoimat liittyvät aineelliseen maailmaan ja ovat matemaattisen tutkimuksen kohteena. Vuonna 1607 Kepler tuli siihen tulokseen, että vuorovedet johtuvat Kuun painovoiman vaikutuksesta valtameriin [33] . M. Jennerin mukaan Kepler tuli ajatukseen yhtenäisestä gravitaatioteoriasta, joka kattaa sekä kappaleiden putoamisen että Kuun liikkeen, ennen Newtonia [34] .

Klassisessa mekaniikassa

Klassisen mekaniikan syntyessä Beckmann ja Descartes muotoilivat liikemäärän säilymisen lain . Tajuttuaan tämän tosiasian, joka hautasi aristoteelisen voiman ja nopeuden välisen yhteyden, tutkijoilla oli kaksi vaihtoehtoa: määritellä voima nopeuden muutoksen syyksi tai hylätä voiman käsite sellaisenaan. Descartes itse sovelsi alun perin voiman käsitettä selittääkseen kehon kiihtyneen putoamisen maahan, mutta ajan mittaan yrittäessään geometrisoida fysiikkaa hän tuli siihen tulokseen, että voiman käsite on keinotekoinen, ja vuonna 1629 hän kuvaili vapaan pudotuksen prosessi mainitsematta "voimaa" [35] . Toisaalta Galileo piti yksiselitteisesti voimaa vapaan pudotuksen nopeuden kasvun syynä [36] .

Newtonin

Newtonin kirjoituksissa voiman käsite liittyi läheisesti gravitaatioon, koska Keplerin tulosten tulkinta planeettojen liikkeen alalla vaivasi tuolloin kaikkia mieliä [37] . Ensimmäistä kertaa voiman käsite ( lat. vis ) esiintyy Newtonin " periaatteissa " kahdessa yhteydessä: "sisäinen voima" ( lat. vis insita ), Newtonin hitausvoima ja "soveltuva voima" ( lat. vis impressa ) , joka vastaa kehon liikkeen muuttamisesta . Newton erotti myös erikseen keskipetaalisen voiman (johon hän katsoi painovoiman) useilla eri muodoilla: absoluuttinen voima (samanlainen kuin nykyaikainen gravitaatiokenttä ), kiihdytysvoima (painovoiman vaikutus massayksikköä kohti, moderni kiihtyvyys ) ja käyttövoima (tulo massa ja kiihtyvyys) [38] . Newton ei anna yleistä määritelmää voimalle. Kuten M. Jenner huomauttaa, Newtonin toinen laki ei ole itse lain laatijan (joka teki selkeän eron määritelmien ja lakien välillä) määrittelemä voiman määritelmä, Newtonin voima on jo olemassa oleva käsite, joka vastaa intuitiivisesti lihasvoimaa [39] .

Moderniteetti

1900-luvun loppua leimasivat kiistat siitä, onko voiman käsite tieteessä välttämätön ja onko voimia periaatteessa olemassa - vai onko se vain mukavuussyistä käyttöön otettu termi [40] .

Bigelow ym. väittivät vuonna 1988, että voimat määrittävät olennaisesti syy-yhteyden ja siksi niitä ei voida hylätä [41] . M. Jammer vastusti tätä, että standardimallissa ja muissa fysikaalisissa teorioissa voima tulkitaan vain kulmamomentin vaihdoksi , minkä vuoksi voiman käsite pelkistyy yksinkertaisemmaksi hiukkasten väliseksi "vuorovaikutukseksi". Tätä vuorovaikutusta kuvataan lisähiukkasten ( fotonien , gluonien , bosonien ja mahdollisesti gravitonien ) vaihdon kautta [40] . Jammer antaa seuraavan yksinkertaistetun selityksen: kaksi luistelijaa liukuu olkapäätä vasten jäällä, molemmat pitävät palloa. Nopea ja samanaikainen pallojen vaihto johtaa vastenmieliseen vuorovaikutukseen [42] .

Stinner huomauttaa, että Einsteinin painovoima- ja inertiavoimien ekvivalenssiperiaate tuhoaa olennaisesti voiman käsitteen, yleisessä suhteellisuusteoriassa ei ole ulkoisia voimia (F yhtälöstä F=ma) [43] .

Newtonin mekaniikka

Newton päätti kuvata esineiden liikettä hitauden ja voiman käsitteillä. Tehtyään tämän hän totesi matkan varrella, että kaikki mekaaniset liikkeet ovat yleisten säilymislakien alaisia . Vuonna 1687 Newton julkaisi kuuluisan teoksensa " Mathematical Principles of Natural Philosophy ", jossa hän hahmotteli klassisen mekaniikan kolme peruslakia ( Newtonin lait ) [44] [45] .

Newtonin ensimmäinen laki

Newtonin ensimmäinen laki sanoo, että on olemassa vertailukehyksiä , joissa kappaleet säilyttävät lepotilan tai tasaisen suoraviivaisen liikkeen ilman muita kappaleita niihin kohdistuvia vaikutuksia tai näiden vaikutusten vastavuoroisesti kompensoimalla [45] . Tällaisia vertailukehyksiä kutsutaan inertiaaleiksi . Newton ehdotti, että jokaisella massiivisella (tarkoittaen: "jolla on massaa ", ei "koukkua") esineellä on tietty hitausmarginaali, joka luonnehtii tämän esineen liikkeen "luonnollista tilaa". Tämä ajatus kiistää Aristoteleen näkemyksen, joka piti vain lepoa esineen "luonnollisena tilana". Newtonin ensimmäinen laki on ristiriidassa aristotelilaisen fysiikan kanssa, jonka yksi säännöksistä on väite, että kappale voi liikkua vakionopeudella vain voiman vaikutuksesta. Se tosiasia, että Newtonin mekaniikassa inertiaalisissa viitekehyksessä lepoa ei voi erottaa tasaisesta suoraviivaisesta liikkeestä, on syy Galileon suhteellisuusperiaatteelle . Kaikista kappaleista on pohjimmiltaan mahdotonta määrittää, mitkä niistä ovat "liikkeessä" ja mitkä "levossa". Liikkeestä voidaan puhua vain suhteessa tiettyyn viitekehykseen. Mekaniikan lait ovat samat kaikissa inertiakehyksissä, toisin sanoen ne ovat kaikki mekaanisesti ekvivalentteja . Jälkimmäinen on seurausta niin kutsutuista Galilean muunnoksista [46] .

Newtonin toinen laki

Newtonin toinen laki on:

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

missä on materiaalipisteen massa, on sen kiihtyvyys, on käytettyjen voimien resultantti. Uskotaan, että tämä on "fysiikan toiseksi tunnetuin kaava" ("ensimmäinen" on massan ja energian vastaavuuden kaava ), vaikka Newton itse ei koskaan kirjoittanut toista lakiaan tässä muodossa. Ensimmäistä kertaa tämä lain muoto löytyy K. Maclaurinin ja L. Eulerin teoksista . $m$ ${\vec {a}}$ $\vec{F}$

Newtonin kolmas laki

Jokaiselle kahdelle kappaleelle (kutsutaanko niitä kappaleiksi 1 ja kappaleiksi 2) Newtonin kolmas laki sanoo, että kappaleen 1 vaikutusvoimaan kappaleeseen 2 liittyy voima, joka on yhtä suuri absoluuttisesti, mutta vastakkainen, joka vaikuttaa runko 1 rungosta 2 [47] . Matemaattisesti laki on kirjoitettu seuraavasti:

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

Tämä laki tarkoittaa, että voimat syntyvät aina "toiminta-reaktio"-pareina [45] .

Perusvuorovaikutus

Kaikki luonnonvoimat perustuvat neljään perusvuorovaikutukseen. Kaikentyyppisten vuorovaikutusten suurin etenemisnopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus tyhjiössä . Sähkömagneettiset voimat vaikuttavat sähköisesti varautuneiden kappaleiden välillä, gravitaatiovoimat massiivisten kappaleiden välillä . Vahvat ja heikot esiintyvät vain hyvin pienillä etäisyyksillä ja ovat vastuussa subatomisten hiukkasten , mukaan lukien atomiytimiä muodostavien nukleonien , välisestä vuorovaikutuksesta .

Vahvojen ja heikkojen vuorovaikutusten intensiteettiä mitataan energiayksiköissä ( elektronivolteissa ), ei voimayksiköissä , ja siksi termin "voima" käyttö niihin selittyy antiikista lähtien olemassa olleella perinteellä selittääkseen mitä tahansa ilmiöitä ympärillämme olevassa maailmassa kullekin ilmiölle ominaisten "voimien" vaikutuksesta.

Voiman käsitettä ei voida soveltaa subatomisen maailman ilmiöihin. Tämä on käsite klassisen fysiikan arsenaalista, joka liittyy (vaikka vain alitajuisesti) newtonilaisiin ideoihin etäältä vaikuttavista voimista. Subatomisessa fysiikassa tällaisia voimia ei enää ole: ne korvataan kenttien kautta tapahtuvilla hiukkasten välisillä vuorovaikutuksilla eli joidenkin muiden hiukkasten välillä. Siksi korkeaenergiset fyysikot välttävät käyttämästä sanaa voima ja korvaavat sen sanalla vuorovaikutus [48] .

Kunkin tyypin vuorovaikutus johtuu vastaavien "kantoaaltojen" vaihdosta: sähkömagneettiset - virtuaaliset fotonit , heikkovektoribosonit , vahvat -gluonit (ja suurilla etäisyyksillä - mesonit ). Gravitaation vuorovaikutuksen suhteen on olemassa teoreettisia oletuksia (esimerkiksi merkkijonoteoriassa tai M-teoriassa ), että siihen voidaan liittää myös oma kantaja-bosoni, nimeltään graviton , mutta sen olemassaoloa ei ole vielä todistettu. 1970- ja 1980-luvuilla tehdyt korkean energian fysiikan kokeet vahvistivat ajatuksen, että heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus ovat ilmentymiä maailmanlaajuisemmasta sähköheikosta vuorovaikutuksesta [49] . Tällä hetkellä kaikki neljä perusvuorovaikutusta yritetään yhdistää yhdeksi (ns. grand unified teoria ).

Gravitaatio

Painovoima ( painovoima ) on universaali vuorovaikutus minkä tahansa aineen välillä . Klassisen mekaniikan puitteissa sitä kuvataan universaalin painovoiman lailla , jonka Newton muotoili jo mainitussa teoksessa " Luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet ". Newton sai kiihtyvyyden suuruuden, jolla Kuu liikkuu Maan ympäri , olettaen laskennassa, että gravitaatiovoima pienenee käänteisesti gravitaatiokappaleen etäisyyden neliön kanssa. Lisäksi hän havaitsi myös, että kiihtyvyys, joka johtuu yhden kappaleen vetovoimasta toiseen, on verrannollinen näiden kappaleiden massojen tuloon [50] . Näiden kahden johtopäätöksen perusteella muotoiltiin painovoimalaki: kaikki materiaalihiukkaset vetäytyvät toisiaan kohti voimalla , joka on suoraan verrannollinen massojen tuloon ( ja ) ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön : $F$ $m_1$ $m_2$ $r$

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

Tässä on gravitaatiovakio [51] , jonka arvon sai ensimmäisenä kokeissaan Henry Cavendish . Tämän lain avulla voidaan saada kaavat mielivaltaisen muotoisten kappaleiden painovoiman laskemiseksi. Newtonin gravitaatioteoria kuvaa hyvin aurinkokunnan planeettojen ja monien muiden taivaankappaleiden liikettä. Se perustuu kuitenkin pitkän kantaman toiminnan käsitteeseen , joka on ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa . Siksi klassinen gravitaatioteoria ei sovellu kuvaamaan lähellä valonnopeutta liikkuvien kappaleiden liikkeitä , erittäin massiivisten esineiden (esimerkiksi mustien aukkojen ) gravitaatiokenttiä sekä muuttuvia gravitaatiokenttiä, jotka liikkuvat kappaleet suurilla etäisyyksillä niistä [52] . $G$

Yleisempi painovoimateoria on Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria . Siinä painovoimalle ei ole ominaista invariantti voima, joka ei riipu vertailukehyksestä. Sen sijaan kappaleiden vapaata liikkumista gravitaatiokentässä, jonka havainnoija näkee liikkumisena kaarevia lentoratoja pitkin kolmiulotteisessa aika-avaruudessa vaihtelevalla nopeudella, pidetään inertialiikkeenä geodeettista linjaa pitkin kaarevassa neliulotteisessa avaruudessa. -aika, jossa aika virtaa eri tavalla eri pisteissä. Lisäksi tämä viiva on tietyssä mielessä "suorin" - se on sellainen, että tila-aikaväli ( oikea aika ) tietyn kappaleen kahden aika-avaruusaseman välillä on maksimi. Avaruuden kaarevuus riippuu kappaleiden massasta sekä kaikista järjestelmässä olevista energiatyypeistä [1] .

Sähkömagneettinen vuorovaikutus

Sähköstaattinen kenttä (kiinteiden varausten kenttä)

Fysiikan kehitys Newtonin jälkeen lisäsi kolmeen perussuureen ( pituus , massa , aika ) sähkövarauksen , jonka mitat olivat "coulomb" (C). Käytännön vaatimusten perusteella he alkoivat kuitenkin käyttää päämittayksikkönä ei varausyksikköä, vaan sähkövirran yksikköä . Joten SI-järjestelmässä perusyksikkö on ampeeri ja varauksen yksikkö - riipus - on sen johdannainen.

Koska varaus sellaisenaan ei ole olemassa sitä kantavasta kappaleesta riippumatta, ilmenee kappaleiden sähköinen vuorovaikutus mekaniikassa tarkasteltuna voimana, joka aiheuttaa kiihtyvyyttä. Mitä tulee kahden pistevarauksen sähköstaattiseen vuorovaikutukseen arvojen kanssa ja jotka sijaitsevat tyhjiössä, käytetään Coulombin lakia . SI-järjestelmää vastaavassa muodossa sillä on muoto: $q_{1}$ $q_{2}$

{\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}}}},

missä on voima, jolla varaus 1 vaikuttaa varaukseen 2, on vektori, joka on suunnattu varauksesta 1 varaukseen 2 ja on yhtä suuri kuin varausten välinen etäisyys absoluuttisesti ja on sähkövakio , joka on yhtä suuri kuin ≈ 8,854187817•10 −12 F /m. Kun varaukset asetetaan homogeeniseen ja isotrooppiseen väliaineeseen, vuorovaikutusvoima pienenee kertoimella ε, missä ε on väliaineen permittiivisyys . $\vec{F}_{12}$ $\vec{r}_{12}$ $\varepsilon_{0}$

Voima suuntautuu pistevaraukset yhdistävää linjaa pitkin. Graafisesti sähköstaattinen kenttä on yleensä kuvattu kuvana voimalinjoista, jotka ovat kuvitteellisia lentoratoja, joita pitkin varautunut hiukkanen ilman massaa liikkuisi. Nämä rivit alkavat yhdellä ja päättyvät toiseen lataukseen.

Magnetostaattinen kenttä (DC-kenttä)

Magneettikentän olemassaolon tunnistivat jo keskiajalla kiinalaiset, jotka käyttivät "rakastavaa kiveä" - magneettia magneettisen kompassin prototyyppinä. Graafisesti magneettikenttä on yleensä kuvattu suljettuina voimalinjoina, joiden tiheys (kuten sähköstaattisen kentän tapauksessa) määrää sen voimakkuuden. Historiallisesti rautaviilat , jotka kaadettiin esimerkiksi magneetin päälle asetetulle paperille, olivat visuaalinen tapa visualisoida magneettikenttä .

Oersted havaitsi, että johtimen läpi kulkeva virta aiheuttaa magneettisen neulan taipumisen.

Faraday tuli siihen tulokseen, että virtaa kuljettavan johtimen ympärille muodostuu magneettikenttä.

Ampere esitti hypoteesin, joka tunnustetaan fysiikassa magneettikentän syntyprosessin malliksi, joka olettaa mikroskooppisten suljettujen virtojen olemassaolon materiaaleissa, jotka tarjoavat yhdessä luonnollisen tai indusoidun magnetismin vaikutuksen.

Lisäksi Ampere havaitsi, että tyhjiössä olevassa vertailukehyksessä, jonka suhteen varaus on liikkeessä, eli se käyttäytyy kuin sähkövirta , syntyy magneettikenttä, jonka intensiteetin määrää magneettinen induktiovektori . taso, joka on kohtisuorassa varauksen suuntaan nähden. ${\vec {B}}$

Sama ampeeri mittasi ensimmäistä kertaa kahden rinnakkaisen johtimen vuorovaikutusvoiman niiden läpi kulkevien virtojen kanssa. Toinen johtimista loi ympärilleen magneettikentän, toinen reagoi tähän kenttään lähestymällä tai poistumalla mitattavalla voimalla, tietäen mikä ja virran voimakkuuden suuruus, oli mahdollista määrittää magneettisen induktiovektorin moduuli.

Voimavuorovaikutus sähkövarausten välillä , jotka eivät ole liikkeessä toisiinsa nähden, kuvataan Coulombin lailla. Kuitenkin tällaisessa liikkeessä olevat varaukset synnyttävät myös magneettikenttiä , joiden kautta varausten liikkeen synnyttämät virrat pääsääntöisesti tulevat voimavuorovaikutustilaan.

Perimmäinen ero varausten suhteellisesta liikkeestä aiheutuvan voiman ja niiden paikallaan olevan sijoituksen välillä on näiden voimien geometrian ero. Sähköstaattisen tilan tapauksessa kahden varauksen vuorovaikutusvoima on suunnattu niitä yhdistävää linjaa pitkin. Siksi tehtävän geometria on kaksiulotteinen ja tarkastelu suoritetaan tämän viivan läpi kulkevassa tasossa.

Virtojen tapauksessa virran synnyttämää magneettikenttää kuvaava voima sijaitsee tasossa, joka on kohtisuorassa virtaa vastaan. Siksi kuva ilmiöstä tulee kolmiulotteiseksi. Ensimmäisen virran elementin, jonka pituus on äärettömän pieni, luoma magneettikenttä, joka on vuorovaikutuksessa toisen virran saman elementin kanssa, muodostaa yleensä siihen vaikuttavan voiman. Lisäksi molemmille virroille tämä kuva on täysin symmetrinen siinä mielessä, että virtojen numerointi on mielivaltainen.

Virtojen vuorovaikutuksen lakia käytetään tasavirran standardointiin.

Vahva vuorovaikutus

Vahva voima on perustavanlaatuinen lyhyen kantaman voima hadronien ja kvarkkien välillä . Atomiytimessä vahva voima pitää yhdessä positiivisesti varautuneita (sähköstaattista hylkimistä kokevia) protoneja, tämä tapahtuu pi-mesonien vaihdon kautta nukleonien (protonien ja neutronien) välillä. Pi-mesonit elävät hyvin vähän, niiden elinikä riittää vain tuottamaan ydinvoimia ytimen säteellä, siksi ydinvoimia kutsutaan lyhyen kantaman. Neutronien lukumäärän kasvu "laimentaa" ydintä vähentäen sähköstaattisia voimia ja lisäämällä ydinvoimaa, mutta suurella määrällä neutroneja ne itse, fermioneina, alkavat kokea hylkimistä Paulin periaatteen vuoksi . Myös kun nukleonit ovat liian lähellä toisiaan, alkaa W-bosonien vaihto, mikä aiheuttaa repulsiota, minkä ansiosta atomiytimet eivät "lupaudu".

Itse hadroneissa vahva voima pitää yhdessä hadronit muodostavat kvarkit . Vahvat kenttäkvantit ovat gluoneja . Jokaisella kvarkilla on yksi kolmesta "väri"varauksesta, jokainen gluoni koostuu "väri" - "anticolor" -parista. Gluonit sitovat kvarkeja ns. " suljetuksi ", minkä vuoksi tällä hetkellä kokeessa ei ole havaittu vapaita kvarkkeja. Kun kvarkit siirtyvät erilleen toisistaan, gluonisidosten energia kasvaa, eikä vähene kuten ydinvuorovaikutuksessa. Kulutettuaan paljon energiaa (törmäämällä hadroneja kiihdyttimessä) voidaan katkaista kvarkki-gluoni-sidos , mutta tässä tapauksessa uusien hadronien suihku sinkoutuu. Vapaita kvarkkeja voi kuitenkin esiintyä avaruudessa: jos kvarkki onnistui pakenemaan vankilasta alkuräjähdyksen aikana , niin todennäköisyys tuhoutua vastaavalla antikvarkilla tai muuttua värittömäksi hadroniksi sellaiselle kvarkille on häviävän pieni.

Heikko vuorovaikutus

Heikko vuorovaikutus on perustavanlaatuinen lyhyen kantaman vuorovaikutus. Alue 10 −18 m. Symmetrinen spatiaalisen inversion ja varauskonjugaation yhdistelmän suhteen. Kaikki perusfermionit ( leptonit ja kvarkit ) osallistuvat heikkoon vuorovaikutukseen. Tämä on ainoa vuorovaikutus, johon neutriinot osallistuvat (lukuun ottamatta painovoimaa , joka on laboratoriossa mitätön), mikä selittää näiden hiukkasten valtavan tunkeutumisvoiman. Heikon vuorovaikutuksen ansiosta leptonit, kvarkit ja niiden antihiukkaset voivat vaihtaa energiaa , massaa , sähkövarausta ja kvanttilukuja eli muuttua toisikseen. Yksi ilmenemismuodoista on beetan hajoaminen .

Johdetut voimatyypit

Luonnossa ilmentyvien voimien koko kirjo voidaan periaatteessa supistaa edellisessä kappaleessa esitettyihin neljään perusvoimaan.

Esimerkiksi kitka on ilmentymä sähkömagneettisista voimista, jotka vaikuttavat kahden kosketuspinnan atomien välillä, ja Paulin poissulkemisperiaate [53] , joka ei salli atomien tunkeutumista toistensa alueelle. Hooken lain kuvaama jousen muodonmuutoksesta aiheutuva voima on myös seurausta hiukkasten välisten sähkömagneettisten voimien vaikutuksesta ja Paulin poissulkemisperiaatteesta, joka pakottaa aineen kidehilan atomit pysymään lähellä tasapainoasemaa. [1] . Painovoima on seurausta planeetan perustavanlaatuisesta vetovoimasta.

Käytännössä tällainen erilaisten voimien luonteen erittely osoittautuu kuitenkin usein sopimattomaksi tai mahdottomaksi. Siksi voimia, jotka ovat "johdannaisia" suhteessa perusvoimaan, pidetään yleensä kappaleiden vuorovaikutuksen itsenäisinä ominaisuuksina ja niillä on omat nimensä: "jännitysvoima", "van der Waalsin voima" ja muut (katso nimiluettelo voimat fysiikassa ).

Inertiavoima

Inertiavoima on voima, joka tuodaan ei-inertiaalisiin vertailukehyksiin . Inertiavoimien käyttöönotto suoritetaan, jotta ei-inertiaalisissa vertailukehyksissä olevien kappaleiden liikeyhtälöille saadaan sama muoto kuin Newtonin toisen lain yhtälölle inertiakehyksessä. Monissa tapauksissa tämä lähestymistapa mahdollistaa liikkeen huomioimisen helpottamiseksi ja visuaaliseksi ja vastaavien ongelmien ratkaisun yksinkertaistamiseksi.

Erityisesti tasaisesti kiihtyvään liikkuvaan kappaleeseen liittyvässä vertailukehyksessä hitausvoima on suunnattu vastakkain kiihtyvyyteen nähden. Kokonaishitausvoimasta, joka on kannettavan ja Coriolis summa , keskipakovoima ja Coriolis-voima voidaan erottaa mukavuuden vuoksi .

Inertiavoimat eroavat pohjimmiltaan kaikista muista voimista siinä mielessä, että ne eivät vastaa mitään todellista kappaleiden vuorovaikutusta. Samaan aikaan inertia- ja painovoimamassojen yhtäläisyydestä johtuen gravitaatio- ja inertiavoimien ekvivalenssiperiaatteen mukaan on paikallisesti mahdotonta erottaa, mikä voima vaikuttaa tiettyyn kappaleeseen - gravitaatio- vai inertiavoima. .

Termin "hitausvoima" käyttöä alkeisfysiikassa ei suositella , koska oletusarvoisesti kaikki perusfysiikan liikeyhtälöt kuvaavat liikettä suhteessa inertiaalisiin referenssijärjestelmiin ja "voiman" käsite liittyy aina jonkin ulkoisen kohteen vaikutukseen, eikä sitä voi olla olemassa itsestään. Inertiavoiman ilmaisu kehoon vaikuttavien voimien kaaviossa arvioidaan perusfysiikan kursseilla virheeksi.

Katso myös

Muistiinpanot

↑ 1 2 3 Feynman, RP, Leighton, RB, Sands, M. Lectures on Physics, Vol 1 (määräämätön) . - Addison-Wesley , 1963. (Englanti)
↑ Coelho, 2010 , s. 91.
↑ Coelho, 2010 .
↑ A. A. Ivin , A. L. Nikiforov , Logiikkasanakirja (katso "toiminnallinen määritelmä" ). - M .: Tumanit, toim. keskus VLADOS (1997).
↑ I. Butikov, A. S. Kondratiev. § 15. Inertia. Newtonin ensimmäinen laki // Fysiikka syvälliseen tutkimukseen 1. Mekaniikka. - S. 85, 87.
↑ Rupert W. Anderson. The Cosmic Compendium: The Big Bang & the Early Universe . - Lulu.com, 28.3.2015. - S. 86. - 244 s. — ISBN 9781329024182 .
↑ 1 2 3 Tarasov V. N., Boyarkina I. V., Kovalenko M. V., Fedorchenko N. P., Fisenko N. I. Teoreettinen mekaniikka. - M., TransLit, 2012. - C. 24-25
↑ V. I. Grigorjev. [bse.sci-lib.com/article008164.html Galilean suhteellisuusperiaate] . TSB , 3. painos. (1969-1978). - "...voimat... ovat invariantteja klassisessa mekaniikassa, ts. suuret, jotka eivät muutu siirryttäessä viitekehyksestä toiseen. Haettu: 12.12.2020. (määrätön)
↑ Kabardin O.F., Orlov V.A., Ponomareva A.V. Valinnainen fysiikan kurssi. 8. luokka. - M .: Koulutus , 1985. - Levikki 143 500 kappaletta. - S. 208
↑ 1 2 3 4 Kabardin O.F., Orlov V.A., Ponomareva A.V. Valinnainen fysiikan kurssi. 8. luokka. - M .: Koulutus , 1985. - 3. painos, tarkistettu. — 208 s. – Levikki 143 500 kappaletta.
↑ Tiedot otettu Wikipedia-artikkelista Sojuz (käynnistin)
↑ Tiedot otettu Wikipedia-artikkelista TEP70
↑ Targ S. M. Strength // Physical Encyclopedia : [5 osassa] / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 494. - 704 s. - 40 000 kappaletta. - ISBN 5-85270-087-8 .
↑ Jammer, 1999 , s. 18-20.
↑ Jammer, 1999 , s. 21.
↑ 1 2 Jammer, 1999 , s. 25.
↑ 1 2 Jammer, 1999 , s. 26.
↑ Jammer, 1999 , s. 27.
↑ Jammer, 1999 , s. 31.
↑ 1 2 Jammer, 1999 , s. 32.
↑ Jammer, 1999 , s. 34-35.
↑ Jammer, 1999 , s. 36.
↑ Jammer, 1999 , s. 35-39.
↑ Jammer, 1999 , s. 39.
↑ Jammer, 1999 , s. 66.
↑ Heath, TL The Works of Archimedes (1897) . Archive.org. Haettu 14. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 23. elokuuta 2011. (määrätön) (Englanti)
↑ Jammer, 1999 , s. 41.
↑ Jammer, 1999 , s. 41-42.
↑ Jammer, 1999 , s. 60.
↑ Jammer, 1999 , s. 64.
↑ Stinner 1994 , s. 79.
↑ Jammer, 1999 , s. 66-67.
↑ Jammer, 1999 , s. 81-83.
↑ Jammer, 1999 , s. 84.
↑ Jammer, 1999 , s. 103-104.
↑ Jammer, 1999 , s. 101.
↑ Jammer, 1999 , s. 116-117.
↑ Jammer, 1999 , s. 119-120.
↑ Jammer, 1999 , s. 124.
↑ 1 2 Jammer, 1999 , s. v.
↑ John Bigelow, Brian Ellis ja Robert Pargetter. Voimat // Tieteen filosofia 55, nro. 4 (joulukuu 1988): 614-630. doi : 10.1086 / 289464
↑ Jammer, 1999 , s. v-vi.
↑ Stinner 1994 , s. 83-84.
↑ Yliopistofysiikka , Sears, Young & Zemansky, s. 18-38 (englanniksi)
↑ 1 2 3 Newton, I. Luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet . - University of California Press, 1999. - ISBN 0-520-08817-4 . (Englanti)
↑ Multanovsky V.V. Teoreettisen fysiikan kurssi. Klassinen mekaniikka. Suhteellisuusteorian perusteet. Relativistinen mekaniikka. - M .: Koulutus, 1988. - S. 80−81.
↑ Henderson, Tom Oppitunti 4: Newtonin kolmas liikelaki (linkki ei saatavilla) . Fysiikan luokkahuone (1996-2007). Haettu 4. tammikuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 23. elokuuta 2011. (määrätön) (Englanti)
↑ Capra, Fritjof DAO OF FYSIIKAN. SPb., "ORIS" * "YANA-PRINT". 1994 304 s. ISBN 5-88436-021-5
↑ Weinberg, S. Unelmia lopullisesta teoriasta. - Vintage Books USA, 1994. - ISBN 0-679-74408-8 . (Englanti)
↑ Yliopistofysiikka , Sears, Young & Zemansky, s. 59-82 _
↑ Sir Isaac Newton: Universaali gravitaatiolaki . Tähtitiede 161 Aurinkokunta . Haettu 4. tammikuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 23. elokuuta 2011. (määrätön) (Englanti)
↑ "Painovoima". Novikov ID // Fyysinen tietosanakirja. Ch. toim. Prokhorov A. M. - M. : "Suuri venäläinen tietosanakirja", 1998. - T. 5. - S. 188-193. – 760 s. — ISBN 5-85270-101-7 .
↑ Nave, R. Pauli Poissulkemisperiaate . HyperFysiikka***** Kvanttifysiikka . Haettu 2. tammikuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 23. elokuuta 2011. (määrätön) (Englanti)

Kirjallisuus

Grigoriev V. I., Myakishev G. Ya. - "Luonnon voimat"
Landau L.D. , Lifshits E.M. Mechanics. - 5. painos, stereotyyppinen. — M .: Fizmatlit , 2004. — 224 s. - (" Teoreettinen fysiikka ", osa I). - ISBN 5-9221-0055-6 .
Guide to the Measurement of Force - laatinut The Institute of Measurement and Control, Lontoo (julkaistu 1998, julkaistu uudelleen 2013) - ISBN 0 904457 28 1
Jammer, Max . Voiman käsitteet. - Mineola, NY: Dover Publications Inc., 1999. - ISBN 0-486-40689-X . (Englanti)
Stinner, Arthur. Voiman tarina: Aristoteleesta Einsteiniin (englanniksi) // Fysiikan koulutus. - 1994. - Voi. 29 , ei. 2 . - s. 77-85 .
Ricardo Lopes Coelho. Voiman käsitteestä: kuinka sen historian ymmärtäminen voi parantaa fysiikan opetusta // Sci & Educ. - 2010. - Vol. 19 . — s. 91-113 . - doi : 10.1007/s11191-008-9183-1 .

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri katalaani Hienoa norjalaista Iso venäläinen Brockhaus ja Efron maailman ympäri Pieni Brockhaus ja Efron Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4032651-2 J9U : 987007543324305171 LCCN : sh85050452 NDL : 00926874 NKC : ph314949