Фундаментальные силы

Первой из известных ныне фундаментальных сил была изучена гравитационная сила, или сила тяготения. На Земле она проявляется в том, что находящиеся на ее поверхности объекты с нее не сваливаются. Эта же сила ответственна за падение объектов на Землю. Она же удерживает космический корабль или Луну на орбитах, по которым они движутся вокруг Земли.

Закон фундаментальной силы тяготения, справедливый на Земле и в космическом пространстве, имеет вид

F = m G(r)

где m – масса объекта, моделируемого «несвободной» частицей, G(r) – гравитационное поле, т.е. векторная величина, характеризующая гравитационное притяжение частицы со стороны других объектов.

С разнообразными наглядными проявлениями электромагнитной силы в природе человек встречается повседневно. Это и электризация тел при трении, и молния, и свет, и постоянные магниты, и земной магнетизм, проявляющийся в поведении стрелки компаса. Изучение электромагнитной силы привело к выводу, что ее интенсивность определяется особой физической характеристикой, названной электрическим зарядом. Полное выражение для электромагнитной силы, действующей на заряженную частицу и называемой силой Лоренца, включает два качественно различных члена – электрическую и магнитную силу:

Выражение для электрической силы имеет вид , где q – электрический заряд частицы, а Е – электрическое поле. Для одной заряженной частицы с зарядом Q электрическое поле зависит от расстояния до точки наблюдения по закону , т.е. по форме напоминает поле тяготения для массивного тела.

К важнейшим из нефундаментальных сил относятся силы упругости, возникающие в молекулах или твердых телах при небольшом отклонении атома или части кристалла от положения равновесия. С действием упругой силы Fупр можно познакомиться, представив себе шарик на пружине. Тогда

(7.5),

где k – коэффициент упругости, а х – величина смещения шарика от точки равновесия.

Другой нефундаментальной силой, имеющей большое практическое применение, является сила сопротивления среды (жидкости или газа) движению частицы – Fсопр. Она зависит от скорости u и имеет вид , где a – коэффициент трения.

Наконец, следует отметить, что на одну и ту же частицу могут одновременно действовать несколько разных сил, создаваемых разными объектами. Они подчиняются принципу независимости действия сил, согласно которому полная сила равна сумме всех действующих сил:

F = åFi