СИЛЫ В ПРИРОДЕ

Долгое время сила была самым «таинственным» параметром в Физике. Для нас она является мерой механического действия на материальное тело других тел. Это действие вызывает изменение скоростей точек тела или его деформацию.

Казалось бы, что здесь таинственного? Но, не все так просто. Дело в том, что движение тел мы объясняем через силу, а силу, в свою очередь, вынуждены объяснять через движение. Порочный круг. Именно поэтому математик и механик Анри Пуанкаре (1854-1912) заявил: «нет надобности, чтобы определение силы объясняло, что есть сила в себе и что она – причина или следствие движения».

А, что же происходит в действительности, когда два тела взаимодействуют друг с другом? При этом сразу оговорим, что взаимодействие имеет место в двух случаях:
- при непосредственном контакте тел;
- через посредство силового поля.

В первом случае ясно, что одно тело передает часть своей энергии другому телу. При этом, первое тело замедляется, а второе ускоряется. Следовательно, происходит изменение кинетической энергии тел в пространстве. Вектор, определяющий интенсивность и направление этого изменения при перемещении на единицу длины, мы называем градиентом энергии. А, это и есть сила.

Для справки:
Кинетическая энергия, энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек.
Градиент (от латинского gradiens, родительный падеж gradientis – шагающий), вектор, показывающий направление наискорейшего изменения некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой.

Теперь рассмотрим второй случай, когда пробное тело взаимодействует с силовым полем, которым может быть гравитационное или электрическое поле.

Для справки:
Силовое поле, часть пространства (ограниченная или неограниченная), в каждой точке которой на помещенную туда материальную частицу действует определённая по величине и направлению сила.

Двигаясь в силовом поле, пробное тело может отобрать у этого поля (или передать ему) часть энергии. И этот процесс тоже связан, соответственно, с ускорением или замедлением (ускорение с обратным знаком) пробного тела и одновременно с изменением потенциальной энергии поля. Следовательно и здесь присутствует тот же вектор, который мы называем градиентом энергии.

Для справки:
Потенциальная энергия, часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения частиц, составляющих эту систему, во внешнем силовом поле.

Вывод: Сила является градиентом энергии.

При этом, сила бывает двух видов:
- объемная сила – действует одновременно на каждую элементарную частичку по всему объему тела и деформации в нём не вызывает (сила тяготения, сила инерции);
- поверхностная сила – действует на поверхность тела и вызывает его деформацию (столкновение тел, давление тел друг на друга).

Для справки:
Сила инерции, векторная величина, численно равная произведению массы материальной точки на ее ускорение и направленная противоположно ускорению.
При криволинейном движении силу инерции можно разложить на касательную, или тангенциальную составляющую, направленную противоположно касательному ускорению, и на нормальную, или центробежную составляющую, направленную вдоль главной нормали к траектории от центра кривизны.

Дополнение:

Впервые силовое поле (электрическое и магнитное) было введено и изучено Майклом Фарадеем (1791-1867), затем Джеймс К. Максвелл (1831-1879) описал это поле математически. Концепция поля явилась возрождением теории близкодействия, основоположником которой был Рене Декарт (1596-1660).

Если работа сил поля, действующих на перемещающуюся в нём материальную частицу, зависит только от начального и конечного положения частицы и не зависит от вида её траектории, то такое поле называется потенциальным (гравитационное и электрическое поле).

Каждая точка потенциального поля характеризуется потенциалом (гравитационный и электрический потенциал) и его градиентом – напряженностью поля. Потенциальное поле обладает энергией, массой и электрическим зарядом.

Для справки:
Потенциал – потенциальная энергия, отнесенная к единице (1 кг) массы (гравитационный потенциал) или к единице (1Кл) электрического заряда (электрический потенциал).
Напряженность поля – градиент потенциала или сила, отнесенная к единице (1 кг) массы (напряженность гравитационного поля) или к единице (1Кл) электрического заряда (напряженность электрического поля).

Напряженность гравитационного поля мы еще со школы привыкли называть ускорением свободного падения, которое вызвано силой тяготения (тяжести).

Впервые упоминание силы тяжести принадлежит Галилею (1564-1642):
- действующая на тело сила тяжести измеряется вызываемым ею ускорением тела по направлению к центру Земли;
- пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения.

Теперь мы знаем, что «ускорение тела по направлению к центру Земли» является напряженностью гравитационного поля, а ее произведение на массу тела, находящегося в данной точке поля, дает нам значение силы тяготения, действующей на тело в этой точке.

Свой закон падения тел Галилей сумел соединить с открытым им же принципом сложения двух движений (горизонтального и вертикального). Это означало, что стрела, пущенная из лука, должна двигаться по кривой линии, называемой параболой.

Закон движения тел в поле тяготения Земли Кеплер (1571-1630) распространил на солнечную систему, установив три закона движения планет вокруг Солнца.

Галилей понимал, что «естественное» движение тела – это равномерное движение по окружности. Поэтому и считал, что Земля движется вокруг Солнца естественным образом, без действия сил, то есть по инерции.

Теперь мы знаем, что окружность, по которой происходит равномерное движение, совпадает с эквипотенциальной поверхностью (поверхность одинакового потенциала). Внесем эту поправку и получим: «естественное» движение тела – это равномерное движение по эквипотенциальной поверхности. А если еще точнее, то это определение сформулируем так: «естественное» движение тела между двумя точками – это равномерное движение по кратчайшему пути на эквипотенциальной поверхности.

В качестве примера, рассмотрим несколько вариантов состояния пробного тела (конкретно, шарика) в потенциальном поле Земли:

1. Наш шарик лежит на поверхности Земли. Общая энергия системы складывается из внутренней энергии связи между элементарными частицами шарика (его внутренняя потенциальная энергия) и потенциальной энергии окружающего шарик поля. Кинетическая энергия шарика (относительно потенциального поля) в данном случае равна нулю.

Заметим, что полная энергия шарика в данном случае неизменна. Значит, действующая на него результирующая сила должна быть равна нулю. И действительно сила, с которой шарик давит на поверхность Земли (вызвана весом шарика), полностью скомпенсирована силой реакции опоры.

2. Шарик толкнули по «идеально гладкой» поверхности Земли (сила трения отсутствует). Общая энергия системы возросла за счёт кинетической энергии шарика, а внутренняя потенциальная энергия шарика и потенциальная энергия окружающего шарик поля остались без изменения.

Итак, теперь шарик «накручивает круги» по «идеально гладкой» земной сфере с неизменной скоростью. Значит, на него уже действует сила инерции (центробежная сила), которая направлена противоположно силе тяготения и в этом случае векторная сумма этих сил (вес шарика) уже меньше силы тяготения. Следовательно, меньше и сила реакции опоры, ибо она компенсирует вес шарика. Значит, действующая на шарик результирующая сила и в этом случае равна нулю.

При этом следует помнить, что действующая на шарик центробежная сила прямопропорциональна квадрату скорости его движения. Значит, можно развить такую скорость (первая космическая скорость), когда центробежная сила (сила инерции) сравняется с центростремительной силой (силой тяготения) и наш шарик утратит свой вес. Для шарика наступит невесомость. Исчезнет и сила реакции опоры.

3. Шарик бросили вертикально вверх. К полной энергии (см. п. 1) добавилась энергия броска (кинетическая энергия). Значит, и тут в момент броска на шарик действовала дополнительная сила.

В процессе подъема шарика вверх, его кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию поля, а полная энергия системы не изменяется. Значит, результирующая сила и здесь равна нулю. Но, реакции опоры в данном случае нет. Поэтому, сразу же после броска сила тяготения скомпенсирована силой инерции и вновь шарик находится в невесомости.

Теперь внимание:
Вектор силы тяготения в данном случае показывает направление максимального увеличения кинетической энергии тела, движущегося в потенциальном поле вертикально вниз к его центру.
Вектор силы инерции показывает (как это ни странно) направление максимального увеличения потенциальной энергии поля.

Выводы: При движении тела:

А) Горизонтально (тангенциально эквипотенциальной поверхности) и равномерно:
- потенциальная и кинетическая энергия неизменны;
- если скорость движения меньше первой космической, то сила тяготения частично скомпенсирована силой инерции, а остаточный вес тела скомпенсирован силой реакции опоры;
- если скорость движения равна первой космической, то сила тяготения полностью скомпенсирована силой инерции – невесомость;
- результирующая сила равна нулю.

Б) Вертикально вниз, ускоренно:
- потенциальная энергия переходит в кинетическую. Тело приобретает кинетическую энергию от потенциального поля, снижаясь на более низкий потенциальный уровень;
- результирующая сила равна нулю.

В) Вертикально вверх, замедленно (ускорение с обратным знаком):
- кинетическая энергия переходит в потенциальную. Тело отдает свою кинетическую энергию потенциальному полю, занимая в нем более высокий потенциальный уровень;
- результирующая сила равна нулю.

Теперь ясна причина прецессии орбит, связанная с тем, что орбиты всех планет представляют собой эллипсы.

Когда планета движется от афелия к перигелию (нисходящая часть орбиты), то она приобретает кинетическую энергию за счет потенциального поля Солнца и на этом участке плотность энергии поля уменьшается.

При движении планеты от перигелия к афелию (восходящая часть орбиты), она отдает свою кинетическую энергию потенциальному полю Солнца и на этом участке плотность энергии поля, наоборот, увеличивается.

Следовательно, энергия потенциального поля «перекачивается» планетой от нисходящей части орбиты к восходящей её части и между этими частями возникает градиент энергии, именуемый силой. Вектор этой силы направлен от восходящей части орбиты к нисходящей. В этом направлении и происходит сдвиг (прецессия) орбиты.

Самая большая прецессия должна быть у орбиты Меркурия. Это небольшая по массе планета, но:
- во-первых, эта орбита имеет самый заметный эксцентриситет (наиболее вытянута);
- во-вторых, у этой орбиты наименьшее расстояние между восходящей и нисходящей её частями в сравнении с орбитами других планет.

В соответствии с этой зависимостью величина прецессии орбиты Венеры должна составлять примерно половину от прецессии орбиты Меркурия, у Земли – примерно треть, у Марса – четверть. Именно эта зависимость и обнаружена экспериментально.



Главная страница



Пивоваров Валерий Иванович
Кишинев
1998