Что такое сила взаимодействия

1. Взаимодействие между молекулами

Межмолекулярным взаимодействием называют силы, возникающие между молекулами. Это взаимодействие, так же как и химическая связь, имеет электростатическую природу, но оно во много раз слабее любого вида химической связи.

Сила взаимодействия зависит от расстояния между молекулами и наиболее выражена в твёрдых веществах и жидкостях. В газах расстояния между молекулами большие, поэтому силы, действующие между их молекулами, совсем слабые.

Обрати внимание!

Энергия межмолекулярного взаимодействия определяет температуры плавления и кипения молекулярных веществ.

Молекулы не имеют электрических зарядов, но в них содержатся положительные ядра и отрицательные электроны, поэтому заряды могут возникать в разных частях молекул. Например, в двухатомных молекулах с ковалентной полярной связью ( HCl , HF и т. п.) на атомах имеются частичные заряды; эти молекулы полярные и представляют собой постоянные диполи (частицы с двумя полюсами).

В неполярных молекулах диполи могут возникать на непродолжительное время из-за смещения электронов. В этом случае говорят о мгновенных (наведённых) диполях. Между ними тоже возникает электростатическое взаимодействие.

1. Взаимодействие и сила

Представь себя и футбольный мяч. Ты можешь находиться рядом с мячом, но если ты не прикасаешься к нему, тогда взаимодействия между тобой и мячом не происходит. Однако в тот момент, когда ты бьёшь по мячу, он либо начинает движение , либо меняет направление движения , и ещё при этом он деформируется .

Величину взаимодействия тел характеризует физическая величина — сила (\(F\)).
Сила является причиной изменения скорости движения, направления движения или же деформации тела.
Единицей измерения силы является ньютон (Н). Силу измеряют динамометром.
Рис. \(1\). Динамометры

Рис. \(2\). Динамометр общего назначения с пределом измерения \(400\) кН
Силы могут быть различными — как вызывающие движение, так и замедляющие движение.

Сила тяги вызывает движение и поддерживает его. Она действует в направлении движения. Силу тяги может создать, например, двигатель автомобиля, конь, который тянет повозку, человек, который что-либо тянет или толкает.

Сила трения
Сила трения — это сила, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого тела.
Направление силы трения противоположно направлению движения, она замедляет движение.
Рис. \(3\). Силы, действующие на тело
Сила сопротивления

Сила сопротивления действует на тело, движущееся в жидкой или газообразной среде. Она направлена противоположно направлению движения и замедляет движение.

Рис. \(4\). Силы, действующие на тело
Сила упругости

Сила упругости возникает при деформации тела. Она восстанавливает форму и размеры тела. Причиной возникновения силы упругости является взаимодействие молекул или атомов.

Сила упругости возникает при деформации тела (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг).

Силы упругости удерживают тела, которые подвешены на растяжках или укреплены на опорах. Против силы притяжения Земли, которая тянет тело вниз, всегда в противоположном направлении действует такая же по величине сила упругости. Например, мосты удерживает сила упругости, которая уравновешивает силу притяжения Земли.

Рис. \(5\). Мост в г. Сан-Франциско

Рис. 1. Динамометры. © ЯКласс.
Рис. 3. Силы, действующие на тело. © ЯКласс.
Рис. 4. Силы, действующие на тело. © ЯКласс.

2. Виды взаимодействий

Удар — толчок, кратковременное взаимодействие тел, при котором происходит перераспределение кинетической энергии.

В физике под ударом понимают такой тип взаимодействия движущихся тел, при котором временем взаимодействия можно пренебречь.

Обрати внимание!
При ударе выполняется закон сохранения импульса.

Предполагается, что на время удара действием внешних сил можно пренебречь. Тогда полный импульс тел при ударе сохраняется. В противном случае нужно учитывать импульс внешних сил. Часть энергии обычно уходит на нагрев тел и звук.

Результат столкновения двух тел можно полностью рассчитать, если известно их движение до удара и механическая энергия после удара.

Если не известны потери энергии, происходит одновременное столкновение нескольких тел или столкновение точечных частиц, то определить однозначно движение тел после удара невозможно.

В общем случае решение задачи о столкновении, кроме знания начальных скоростей, требует дополнительных параметров.

Абсолютно упругий удар — модель соударения, при которой полная кинетическая энергия системы сохраняется.

В классической механике при этом пренебрегают деформациями тел. Соответственно, считается, что энергия на деформации не теряется, а взаимодействие распространяется по всему телу мгновенно.

хорошей моделью абсолютно упругого удара является столкновение бильярдных шаров или упругих мячиков.

Рис. \(1\). Центральное и абсолютно упругое столкновение шара с меньшей массой и покоящегося шара с большей массой

Рис. \(2\). Центральное и абсолютно упругое столкновение шара с большей массой и покоящегося шара с меньшей массой

Рис. \(3\). Центральное и абсолютно упругое столкновение движущегося и покоящегося шаров одинаковой массы

Математическая модель абсолютно упругого удара работает примерно следующим образом:

1. есть в наличии два абсолютно твёрдых тела, которые сталкиваются.
2. В точке контакта происходят упругие деформации. Кинетическая энергия движущихся тел мгновенно и полностью переходит в энергию деформации.
3. В следующий момент деформированные тела принимают свою прежнюю форму, а энергия деформации полностью обратно переходит в кинетическую энергию.
4. Контакт тел прекращается, и они продолжают движение.

Для математического описания простейших абсолютно упругих ударов используется закон сохранения энергии:

m 1 u 1 2 2 + m 2 u 2 2 2 = m 1 v 1 2 2 + m 2 v 2 2 2 ;
а также закон сохранения импульса:
m 1 u 1 → + m 2 u 2 → = m 1 v 1 → + m 2 v 2 → ,

где m 1 , m 2 — массы первого и второго тела, u 1 → , u 2 → — скорости тел до удара, v 1 → , v 2 → — скорости тел после удара соответственно.

Обрати внимание!
Импульсы складываются векторно, а энергии — скалярно.
частные случаи упругих ударов и их результаты:
1. абсолютно упругий удар тел равных масс (покоящегося и движущегося).

Рис. \(4\). Тела равных масс (покоящееся и движущееся) до удара

Рис. \(5\). Тела равных масс (покоящееся и движущееся) после удара
2. Абсолютно упругий удар двух тел разных масс.

Рис. \(6\). Тела разных масс до удара

Рис. \(7\). Тела разных масс после удара
3. Абсолютно упругий удар тел равных масс, но с различными направлениями и модулями скоростей.

Рис. \(8\). Двигающиеся навстречу друг другу с разными скоростями тела равных масс до удара

Рис. \(9\). Двигающиеся навстречу друг другу с разными скоростями тела равных масс после удара

Рис. \(10\). Двигающиесяв одном направлении с разными скоростями тела равных масс до удара

Рис. \(11\). Двигающиесяв одном направлении с разными скоростями тела равных масс после удара

Абсолютно неупругий удар — удар, в результате которого тела соединяются и продолжают дальнейшее своё движение как единое тело.

абсолютно неупругий удар тел равных масс (покоящегося и движущегося):

Рис. \(12\). Тела равных масс (покоящееся и движущееся) до удара

Рис. \(13\). Тела равных масс (покоящееся и движущееся) после удара

Общая скорость тел после неупругого удара может быть найдена из закона сохранения импульса:
m 1 v 1 → + m 2 v 2 → = m 1 + m 2 v → ,

где m 1 , m 2 — массы первого и второго тела, v 1 → , v 2 → — скорости тел до удара, v → — общая скорость тел, полученная после удара.

Обрати внимание!
Импульсы являются величинами векторными, поэтому складываются только векторно.

Как и при любом ударе, при абсолютно неупругом ударе выполняется закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса, но не выполняется закон сохранения механической энергии. Часть кинетической энергии соударяемых тел в результате неупругих деформаций переходит в тепловую.

хорошая модель абсолютно неупругого удара — сталкивающиеся пластилиновые шарики.

Рис. \(14\). Сталкивающиеся пластилиновые шарики

7. Сила взаимодействия. Третий закон Ньютона.

В механике большое значение имеет принцип независимости действия сил: если на материальную точку действуют одновременно несколько сил, то каждая из этих сил сообщает материальной точке ускорение согласно второму закону Ньютона, как будто других сил не было. Согласно этому принципу, силы и ускорения можно разлагать на составляющие, использование которых приводит к существенному упрощению решения задач.

Если на материальную точку действуют одновременно несколько сил, то, согласно принципу независимости действия сил, под силой во втором законе Ньютона понимают результирующую силу.

Гравитационные силы, электромагнитные силы, силы инерции, ядерные силы, силы межмолекулярного взаимодействия.

В физике существует 4 фундаментальных взаимодействия:

• Гравитационное
• Электромагнитное
• Сильное (ядерное)
• Слабое (распад элементарных частиц)

Воздействие тел (материальных точек) друг на друга всегда является взаимным и определяется третьим законом Ньютона (законом о равенстве действия и противодействия): действия двух тел друг на друга всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти тела: (2.7) где F₁₂ — сила, действующая на первое тело со стороны второго; F₂₁ — сила, действующая на второе тело со стороны первого. Необходимо помнить, что силы F₁₂ и F₂₁ приложены к разным телам (материальным точкам) и поэтому не уравновешивают друг друга; они действуют парами и являются силами одной природы. Примеры, иллюстрирующие третий закон Ньютона: 1) Человек прыгает с лодки на берег. Он толкает лодку назад с силой F₁₂, а сам испытывает со стороны лодки силу F₂₁, направленную в сторону, противоположную направлению F₁₂. Поэтому человек и лодка движутся в прямо противоположных направлениях. 2) Камень массой m падает с обрыва на Землю с ускорением g. Он притягивается к Земле с такой же по величине силой, что и Земля к камню. Просто мы не замечаем движения Земли, т.к. ее масса Мво много раз превышает массу m камня, следовательно, ускорение a, с которым движется Земля, ничтожно мало по сравнению с ускорением g. В самом деле, с учетом второго закона Ньютона уравнение (2.7) запишется в виде:

• 

откуда

• 

Заменим в уравнении (2.7) силы F₁₂ и F₂₁ согласно формуле (2.5):

• 

Тогда

• 
• или (2.8) Следовательно, при механическом взаимодействии двух тел изменения их импульсов численно равно и противоположны по направлению. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек. Это следует из того, что и для системы материальных точек взаимодействие сводится к силам парного взаимодействия между материальными точками.

8.Понятие о системе тел. Внутренние и внешние силы. Вывод закона сохранения импульса. Центр инерции (центр масс) механической системы.

Силы, действующие на тело (или систему тел), делятся на внешние и внутренние. Внутренние силы возникают в теле под действием внешних сил. Совокупность сил, действующих на какое-либо тело, называют системой сил. Эквивалентная система сил — система сил, действующая так же, как заданная. Уравновешенной (эквивалентной нулю) системой сил называется такая система, которая, будучи приложенной к телу, не изменяет его состояния. Систему сил, действующих на тело, можно заменить одной равнодействующей, действующей так, как система сил. Механической системой тел – называется совокупность материальных точек (тел), рассматриваемых как единое целое. Внешние силы — это силы, действующие на систему со стороны внешних тел. Внешние тела — это тела не входящие в систему. Внутренние силы — это силы, взаимодействующие между частями рассматриваемой системы. Закон сохранения импульса: Вектор полного импульса замкнутой системы тел с течением времени не меняется. Вывод закона: Пусть система состоит из n материальных точек, массы которых m1, m2,…mn, а скорости V1,V2…Vn. Для них: 2ЗН (m1): (d/dt) m1V1 = F1,2 +F1,3 + … F1,n; 2ЗН (m2): (d/dt) m2V2 = F2,1 + F2,3 + …F2,n; 2ЗН (mn): (d/dt) mnVn = Fn1 + Fn2 + …Fn (n-1). По третьему закону Ньютона: Fik = Fki (*) Сложим уравнение (А) с учетом уравнения(*): ; Из закона сохранения импульса следует, сто при любых процессах происходящих в замкнутой системе скорость её центра инерции – это постоянный вектор. Замкнутых механических систем не существует в природе, но, не смотря на это в ряде случаев законом сохранения импульса пользоваться можно: 1. Сумма всех внешних сил равна нулю. 2. Удаётся найти такое направление, на которое проекция всех внешних сил в сумме дают ноль. Тогда для этой оси можно использовать закон сохранения импульса. 3. Быстро текущие процессы: взрыв, удар, выстрел, … Центр инерции (центром масс) системы – такая геометрическая точка, которую можно выделить в любой механической системе, движение которой определяется внешними силами, действующими на систему и массой всей механической системы. Центром масс системы материальных точек называется точка С, радиус-вектор которой равен: , где —масса и радиус-вектор «i-ой» точки — масса всей системы. Центром масс или центром инерции системы материальных точек называется воображаемая тоска С, положение которой характеризует распределение массы этой системы. Ее радиус-вектор равен где масса системы. Скорость центра масс определяется выражением: т.е. (2.10) Другими словами, импульс системы равен произведению массы системы на скорость ее центра инерции. Подставив выражение (2.10) в (2.9), получим: т.е. в изолированной механической системе центр масс находится в покое или движется равномерно и прямолинейно. Если система незамкнутая (на нее действуют помимо внутренних и внешние силы), то выражение (2.9) с учетом (2.10) запишется следующим образом: или (2.11) где ускорение центра масс. Из (2.11) вытекает закон (теорема) движения центра масс: центр масс системы движется как материальная точка, в которой сосредоточена масса всей системы и на которую действует сила, равная геометрической сумме всех внешних сил, приложенных к системе.