Взаимодействие тел: мера и виды взаимодействия. Взаимодействие наэлектризованных тел: как это объяснить на примере разных опытов
Взаимодействие тел.
Опыт показывает, что при сближении тел (или систем тел) характер их поведения меняется. Поскольку эти изменения носят взаимный характер, говорят, что тела взаимодействуют друг с другом. При разведении тел на очень большие расстояния (на бесконечность) все известные на сегодняшний день взаимодействия исчезают.
Галлилей первым дал правильный ответ на вопрос, какое движение характерно для свободных (т.е. не взаимодействующих тел). Вопреки существующему тогда мнению, что свободные тела “стремятся” к состоянию покоя (
), он утверждал, что при отсутствии взаимодействия тела находятся в состоянии равномерного движения (), включающего покой как частный случай.Инерциальные системы отсчета.
В рамках формального математического подхода, реализуемого в кинематике, утверждение Галилея выглядит бессмысленным, поскольку равномерное в одной системе отсчета движение может оказаться ускоренным в другой, которая “ничем не хуже” исходной. Наличие взаимодействия позволяет выделить особый класс систем отсчета, в которых свободные тела движутся без ускорения (в этих системах большинство законов природы имеют наиболее простую форму). Такие системы называются инерциальными.
Все инерциальные системы эквивалентны друг другу, в любой из них законы механики проявляются одинаково. Это свойство было также отмечено Галилеем в сформулированном им принципе относительности: никаким механическим опытом в замкнутой (т.е. не сообщающейся с внешним миром) системе отсчета невозможно установить покоится ли она или равномерно движется. Любая система отсчета, равномерно движущаяся относительно инерциальной тоже является инерциальной.
Между инерциальными и неинерциальными системами отсчета существует принципиальное отличие: находящийся в замкнутой системе наблюдатель способен установить факт движения с ускорением последних, “не выглядывая наружу”(напр. при разгоне самолета пассажиры ощущают, что их “вдавливает” в кресла). В дальнейшем будет показано, что в неинерциальных системах геометрия пространства перестает быть евклидовой.
Законы Ньютона как основа классической механики.
Сформулированные И.Ньютоном три закона движения в принципе позволяют решить основную задачу механики, т.е. по известным начальному положению и скорости тела определить его положение и скорость в произвольный момент времени.
Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета.
Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах ускорение тела пропорционально приложенной силе, физической величине, являющейся количественной мерой взаимодействия. Величину силы, характеризующей взаимодействие тел, можно определить, например, по деформации упругого тела, дополнительно введенного в систему так, что взаимодействие с ним полностью компенсирует исходное. Коэффициент пропорциональности между силой и ускорением называют массой тела:
Под действием одинаковых сил тела с большей массой приобретают меньшие ускорения. Массивные тела при взаимодействии в меньшей степени меняют свои скорости, “стремясь сохранить естественное движение по инерции”. Иногда говорят, что масса является мерой инертности тел (рис. 4_1).
К классическим свойствам массы следует отнести 1) ее положительность (тела приобретают ускорения в направлении приложенных сил), 2) аддитивность (масса тела равна сумме масс его частей), 3) независимость массы от характера движения (напр. от скорости).
Третий закон утверждает, что взаимодействия оба объекта испытывают действия сил, причем эти силы равны по величине и противоположно направлены.
Типы фундаментальных взаимодействий. Попытки классификации взаимодействий привели к идее выделения минимального набора фундаментальных взаимодействий, при помощи которых можно объяснить все наблюдаемые явления. По мере развития естествознания этот набор менялся. В ходе экспериментальных исследований периодически обнаруживались новые явления природы, не укладывающиеся в принятый фундаментальный набор, что приводило к его расширению (например, открытие структуры ядра потребовало введения ядерных сил). Теоретические же осмысление, вцелом стремящееся к единому, максимально экономному описанию наблюдаемого многообразия, неоднократно приволило к “великим объединениям” внешне совершенно несхожих явлений природы (ньютон понял, что падение яблока и движение планет вокруг Солнца являются результатами проявления гравитационных взаимодействий, Эйнштейн установил единую природу электрических и магнитных взаимодействий, Бутлеров опроверг утверждения о различной природе органических и неорганических веществ).
В настоящее время принят набор из четырех типов фундаментальных взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильное и слабые ядерные. Все остальные, известные на сегодняшний день, могут быть сведены к суперпозиции перечисленных.
Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мега-мире).
Электромагнитные взаимодействия обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Играют доминирующую роль в макро мире и микромире вплоть на расстояниях, превосходящих характерные размеры атомных ядер.
Ядерные взаимодействия играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра, где классическое описание заведомо неприменимо.
В настоящее время стали весьма популярны рассуждения о биополе, при помощи которого “объясняется” ряд не очень надежно установленных на эксперименте явлений природы, связанных с биологическими объектами. Серьезное отношение к понятию биополя зависит от того, какой конкретный смысл. Вкладывается в этот термин. Если понятие биополя используется для описания взаимодействий с участием биологических объектов, сводящихся к четырем фундаментальным, такой подход не вызывает принципиальных возражений, хотя введение нового понятия для описания “старых” явлений противоречит общепринятой в естествознании тенденции к минимизации теоретического описания. Если же под биополем понимается новый тип фундаментальных взаимодействий, проявляющийся на макроскопическом уровне (возможности существования которого априорно, очевидно, отрицать бессмысленно), то для столь далеко идущих выводов необходимы очень серьезные теоретические и экспериментальные обоснования, сделанные на языке и методами современного естествознания, которые до настоящего времени представлены не были.
Законы Ньютона и основная задача механики.
Для решения основной задачи механики (определение положения тела в произвольный момент времени по известным начальному положению и скорости) достаточно найти ускорение тела как функцию времени a(t). Эту задачу решают законы Ньютона (1) при условии известных сил. В общем случае силы могут зависеть от времени, положения и скорости тела:
(2) F=F(r,v,t) ,
т.е. для нахождения ускорения тела необходимо знать его положение и скорость. Описанная ситуация в математике носит название дифференциального уравнения второго порядка:
,
В математике показывается, что задача (3-4) при наличии двух начальных условий (положение и скорость в начальный момент времени) всегда имеет решение и притом единственное. Т.о. основная задача механики в принципе всегда имеет решение, однако найти его часто бывает весьма трудно.
Детерминизм Лапласа. Немецкий математик Лаплас применил аналогичную теорему о существовании и единственности решения задачи типа (3-4) для системы из конечного числа уравнений для описания движения всех взаимодействующих друг с другом частиц реального мира и пришел к выводу о принципиальной возможности расчета положения всех тел в любой момент времени. Очевидно, что это означало возможность однозначного предсказанная будущего (хотя бы в принципе) и полную детерменированность (предопределенность) нашего мира. Сделанное утверждение, носящее скорее философский, а не естественно научный характер, получило название детерминизма Лапласа. При желании из него можно было сделать весьма далеко идущие философские и социальные выводы о невозможности влиять на предопределенный ход событий. Ошибочность этого учения состояла в том, что атомы или элементарные частицы (“материальные точки”, из которых составлены реальные тела) на самом деле не подчиняются классическому закону движения (3), верному лишь для макроскопических объектов (т.е. обладающих достаточно большими массами и размерами). Правильное с точки зрения сегодняшней физики описание движения во времени микроскопических объектов, какими являются составляющие макроскопические тела атомы и молекулы, дается уравнениями квантовой механики, позволяющими определить только вероятность нахождения частицы в заданной точке, но принципиально не дающего возможности расчета траекторий движения для последующих моментов времени.
Как утверждает классическая физика, в известном нам мире постоянно происходит взаимодействие тел, частиц между собой. Даже если мы наблюдаем объекты, находящиеся в покое, это не означает, что ничего не происходит. Именно благодаря удерживающим силам между молекулами, атомами и элементарными частицами вы можете видеть предмет в виде доступной нам и понятной материи физического мира.
Взаимодействие тел в природе и жизни
Как мы знаем из собственного опыта, когда падаешь на что-то, бьёшься, с чем-то сталкиваешься, это оказывается неприятно и больно. Толкаете машину или в вас врезается зазевавшийся прохожий. Тем или иным образом вы вступаете во взаимодействие с окружающим миром. В физике данное явление получило определение "взаимодействие тел". Рассмотрим подробно, на какие виды подразделяет их современная классическая наука.
Виды взаимодействия тел
В природе существует четыре вида взаимодействия тел. Первое, всем известное, это гравитационное взаимодействие тел. Масса тел является определяющей в том, насколько сильна гравитация. Она должна быть достаточно огромных масштабов, для того чтобы мы её смогли заметить. В противном случае наблюдение и регистрация данного вида взаимодействия достаточно затруднительны. Космос является тем местом, где силы гравитации вполне возможно наблюдать на примере космических тел с огромной массой.
Взаимозависимость между гравитацией и массой тела
Непосредственно энергия взаимодействия тел прямо пропорциональна массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Это согласно определению современной науки.
Притяжение вас и всех предметов на нашей планете обусловлено тем, что существует сила взаимодействия двух тел, обладающих массой. Поэтому подкинутый вверх предмет притягивается назад к поверхности Земли. Планета достаточно массивна, поэтому сила действия ощутима. Гравитация вызывает взаимодействие тел. Масса тел даёт возможность её проявления и регистрации.
Природа гравитации не ясна
Природа этого явления на сегодня вызывает множество споров и предположений, кроме фактического наблюдения и видимой взаимосвязи между массой и притяжением, не выявлена сила, вызывающая гравитацию. Хотя на сегодня проходит ряд экспериментов, связанных с обнаружением гравитационных волн в космическом пространстве. Более точное предположение в своё время высказал Альберт Эйнштейн.
Он сформулировал гипотезу, что гравитационная сила является порождением искривления ткани пространства-времени расположенными в нем телами.
Впоследствии, при вытеснении пространства материей, оно стремится восстановить свой объем. Эйнштейн предположил, что существует обратно пропорциональная зависимость между силой и плотностью материи.
Примером наглядной демонстрации этой зависимости могут служить чёрные дыры, имеющие немыслимую плотность материи и гравитацию, способную притянуть не только космические тела, но и свет.
Именно благодаря влиянию природы гравитации сила взаимодействия тел обеспечивает существование планет, звёзд и прочих космических объектов. Кроме этого, вращение одних объектов вокруг других присутствует по этой же причине.
Электромагнитные силы и прогресс
Электромагнитное взаимодействие тел несколько напоминает гравитационное, но намного сильнее. Взаимодействие положительно и отрицательно заряженных частиц является причиной его существования. Собственно, это и вызывает возникновение электромагнитного поля.
Оно генерируется телом (телами) либо поглощается или вызывает взаимодействие заряженных тел. Этот процесс играет очень важную роль в биологической деятельности живой клетки и перераспределении веществ в ней.
Помимо этого, наглядным примером электромагнитного проявления сил является обычный электрический ток, магнитное поле планеты. Человечество достаточно обширно применяет эту силу для передачи данных. Это мобильная связь, телевидение, GPRS и многое другое.
В механике это проявляется в виде упругости, трения. Наглядный эксперимент, демонстрирующий наличие данной силы, всем известен из школьного курса физики. Это натирание шёлковой тканью эбонитовой полочки. Возникшие на поверхности частицы с отрицательным зарядом обеспечивают притяжение лёгких предметов. Повседневный пример - это расчёска и волосы. После нескольких движений пластмассой по волосам возникает притяжение между ними.
Стоит упомянуть о компасе и магнитном поле Земли. Стрелка намагничена и имеет концы с положительно и отрицательно заряженными частицами, как следствие, реагирует на магнитное поле планеты. Поворачивается своим "положительным" концом по направлению отрицательных частиц и наоборот.
Малы размеры, но огромна сила
Что касается сильного взаимодействия, то его специфика несколько напоминает электромагнитный вид сил. Причиной тому служит наличие положительных и отрицательно заряженных элементов. Подобно электромагнитной силе, наличие разноимённых зарядов приводит к взаимодействию тел. Масса тел и расстояние между ними очень малы. Это область субатомного мира, где подобные объекты именуются частицами.
Эти силы действуют в области атомного ядра и обеспечивают связь между протонами, электронами, барионами и прочими элементарными частицами. На фоне их размеров, по сравнению с большими объектами, взаимодействие заряженных тел значительно сильнее, чем при электромагнитном типе сил.
Слабые силы и радиоактивность
Слабый вид взаимодействия связан непосредственно с распадом неустойчивых частиц и сопровождается высвобождением разного вида излучения в виде альфа-, бета- и гамма-частиц. Как правило, вещества и материалы с подобными характеристиками называют радиоактивными. 
Этот вид сил называется слабым вследствие того, что слабее электромагнитного и сильного типа взаимодействия. Однако он мощнее, чем гравитационное взаимодействие. Дистанции в данном процессе между частицами весьма малы, порядка 2·10 −18 метров.
Факт обнаружения силы и определения её в ряд фундаментальных произошёл достаточно недавно.
С открытием в 1896 году Анри Беккерель явления радиоактивности веществ, в частности солей урана, было положено начало изучения этого вида взаимодействия сил.
Четыре силы создали Вселенную
Вся Вселенная существует благодаря четырём фундаментальным силам, открытым современной наукой. Они породили космос, галактики, планеты, звезды и различные процессы в том виде, в каком мы это наблюдаем. На данном этапе считается полным определение фундаментальных сил в природе, но, возможно, со временем мы узнаем о наличии новых сил, и знание природы мироздания станет на шаг ближе к нам.
Инерция.
Наблюдения и опыты показывают , что скорость тела сама по себе измениться не может.
Футбольный мяч лежит на поле. Ударом ноги футболист приводит его в движение. Но сам мяч не изменит свою скорость и не начнет двигаться, пока на него не подействуют другие тела. Пуля, вложенная в ствол ружья, не вылетит до тех пор, пока ее не вытолкнут пороховые газы.
Таким образом, и мяч и пуля не имеют свою скорость, пока на них не подействуют другие тела.
Футбольный мяч, катящийся по земле, останавливается из-за трения о землю.
Тело уменьшает свою скорость и останавливается не само по себе, а под действием других тел. Под действием другого тела происходит также изменение направления скорости.
Теннисный мяч меняет направление движения после удара о ракетку. Шайба после удара о клюшку хоккеиста также изменяет направление движения. Направление движения молекулы газа меняется при ударении ее с другой молекулой или со стенками сосуда.
Значит, изменение скорости тела (величина и направления) происходит в результате действия на него другого тела.
Проделаем опыт. Установим наклонно на столе доску. Насыплем на стол, на небольшом расстоянии от конца доски, горку песка. Поместим на наклонную доску тележку. Тележка, скатившись с наклонной доски быстро останавливается, попав в песок. Скорость тележки уменьшается очень быстро. Ее движение неравномерно.
Выровняем песок и вновь отпустим тележку с прежней высоты. Теперь тележка пройдет большее расстояние по столу, прежде чем остановится. Ее скорость изменяется медленнее, а движение становится ближе к равномерному.
Если совсем убрать песок с пути тележки, то препятствием ее движению будет только трение о стол. Тележка до остановки еще медленнее, и проедет она больше,чем в первый, и во второй разы.
Итак, чем меньше действие другого тела на тележку, тем дольше сохраняется скорость ее движения и тем ближе оно к равномерному.
Как же будет двигаться тело, если не него совсем не будут действовать другие тела? Как это можно установить на опыте? Тщательные опыты по изучению движения тел были впервые проведены Г. Галилеем. Они позволили установить, что если на тело не действуют другие тела, то оно находится или в покое, или движется прямолинейно, и равномерно относительно Земли.
Явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел, называется инерцией.
Инерция - от латинского инерциа - неподвижность, бездеятельность.
Таким образом, движения тела при отсутствии действия на него другого тела, называется движением по инерции.
Например, пуля вылетевшая из ружья, так и летела бы, сохраняя свою скорость, если бы на нее не действовало другое тело - воздух (а точнее, молекулы газов, которые в нем находятся.). Вследствие этого скорость пули уменьшается. Велосипедист, перестав крутит педали, продолжает двигаться. Он смог бы сохранить скорость своего движения, если бы на него не действовала бы сила трения.
Итак, если не тело не действуют другие тела, то оно движется с постоянной скоростью.
Взаимодействие тел.
Вам уже известно, что при неравномерном движении скорость тела меняется с течением времени. Изменение скорости тела происходит под действием другого тела.
Проделаем опыт. К тележки прикрепим упругую пластинку. Затем изогнем ее и свяжем нитью. Тележка относительно стола находится в покое. Станет ли двигаться тележка, если упругая пластинка выпрямится?
Для этого пережжем нить. Пластинка выпрямится. Тележка же останется на прежнем месте.
Затем вплотную к согнутой пластинке поставим еще одну такую же тележку. Вновь пережжем нить. После этого обе тележки приходят в движение относительно стола. Они разъезжаются в разные стороны.
Чтобы изменить скорость тележки, понадобилось второе тело. Опыт показал, что скорость тела меняется только в результате действия на него другого тела (второй тележки). В нашем опыте мы наблюдали, что в движение пришла и вторая тележка. Обе стали двигаться относительно стола.
Тележки действуют друг на друга, т.е они взаимодействуют. Значит, действие одного тела на другое не может быть односторонним, оба тела действуют друг на друга, т. е. взаимодействуют.
Мы рассмотрели самый простой случай взаимодействия двух тел. Оба тела (тележки) до взаимодействия находились в покое относительно друг друга, и относительно стола.
Например, пуля также находилась в покое относительно ружья перед выстрелом. При взаимодействии (во время выстрела) пуля и ружье движутся в разные стороны. Получается явление - отдачи.
Если человек, сидящий в лодке, отталкивает от себя другую лодку, то происходит взаимодействие. Обе лодки приходят в движение.
Если же человек прыгает с лодки на берег, то лодка отходит в сторону, противоположную прыжку. Человек подействовал на лодку. В свою очередь, и лодка действует на человека. Он приобретает скорость, которая направлена к берегу.
Итак, в результате взаимодействия оба тела могут изменить свою скорость.
Масса тела. Единица массы.
При взаимодействии двух тел скорости первого и второго тела всегда меняются.
Одно тело после взаимодействия приобретает скорость, которая может значительно отличаться от скорости другого тела. Например, после выстрела из лука скорость стрелы гораздо больше скорости, которую приобретает тетива лука после взаимодействия.
Почему так происходит? Проведем опыт, описанный в параграфе 18. Только теперь, возьмем тележки разного размера. После того, как нить пережгли, тележки разъезжаются с разными скоростями. Тележка, которая после взаимодействия движется медленнее, называется более массивной. У нее больше масса. Тележка, которая после взаимодействия движется с большей скоростью, имеет меньшую массу. Значит, тележки имеют разную массу.
Скорости, которые приобрели тележки в результате взаимодействия, можно измерить. По этим скоростям сравнивают массы взаимодействующих тележек.
Пример. Скорости тележек до взаимодействия равны нулю. После взаимодействия скорость одной тележки стала равна 10 м/с, а скорость другой 20 м/с. Поскольку скорость, которую приобрела вторая тележка, в 2 раза больше скорости первой, то и ее масса в 2 раза меньше массы первой тележки.
В случае, если после взаимодействия скорости изначально покоившихся тележек одинаковы, то их массы одинаковы. Так, в опыте, изображенном на рисунке 42, после взаимодействия тележки разъезжаются с равными скоростями. Следовательно, их массы были одинаковы. Если после взаимодействия тела приобрели разные скорости, то их массы различны.
Во сколько раз скорость первого тела больше (меньше) скорости второго тела, во столько раз масса первого тела меньше (больше) массы второго.
Чем меньше меняется скорость тела при взаимодействии, тем большую массу оно имеет. Такое тело называется более инертным.
И наоборот, чем больше меняется скорость тела при взаимодействии, тем меньшую массу оно имеет, тем меньше оно инертно.
Значит, что для всех тел характерно свойство по-разному менять свою скорость при взаимодействии. Это свойство называется инертностью.
Масса тела - это физическая величина, которая характеризует его инертность.
Следует знать, что любое тело: Земля, человек, книга и т.д. - обладает массой.
Масса обозначается буквой m. За единицу массы в СИ принят килограмм (1 кг).
Килограмм - это масса эталона. Эталон изготовлен из сплава двух металлов: платины и иридия. Международный эталон килограмма хранится в г. Севре (близ Парижа). С международного эталона сделано более 40 точнейших копий, разосланных в разные страны. Одна из копий международного эталона находится в нашей стране, в институте метрологии им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге.
На практике используют и другие единицы массы: тонна (т), грамм (г), миллиграмм (мг).
1 т = 1000 кг
1 г = 0,001 кг
1 кг = 1000 г
1 мг = 0,001 г
1 кг = 1 000 000 мг
1 мг = 0,000001 кг
В дальнейшем при изучении физики понятие массы будет раскрыто глубже.
Измерение массы тела на весах.
Для того, чтобы измерить массу тела, можно использовать метод, описанный в параграфе 19.
Сравнивая скорости, приобретенные телами при взаимодействии, определяют, во сколько раз масса одного тела больше (или меньше) массы другого. Измерить массу тела этим способом можно, если масса одного из взаимодействующих тел известна. Таким способом определяют в науке массы небесных тел, а также молекул и атомов.
На практике массу тела можно узнать с помощью весов. Весы бывают различного типа: учебные, медицинские, аналитические, аптекарские, электронные и др.
Рассмотрим учебные весы. Главной частью таких весов, является коромысло. К середине коромысла прикреплена стрелка - указатель, которая движется вправо или влево. К концам коромысла подвешены чашки. При каком условии весы будут находиться в равновесии?
Поместим на чашки весов тележки, которые применялись в опыте (см. § 18). поскольку при взаимодействии тележки приобрели одинаковые скорости, то мы выяснили, что их массы одинаковы. Следовательно, весы будут находится в равновесии. Это значит, что массы тел, лежащих на чашках весов, равны друг другу.
Теперь на одну чашку весов, поместим тело, массу которого надо узнать. На другую будем ставить гирьки, массы которых известны, до тех пор, пока весы не окажутся в равновесии. Следовательно, масса взвешиваемого тела будет равна общей массе гирь.
При взвешивании используется специальный набор гирь.
Различные весы предназначены для взвешивания разных тел, как очень тяжелых, так и очень легких. Так, например, с помощью вагонных весов можно определить массу вагона от 50 т до 150 т. Массу комара, равную 1мг, можно узнать с помощью аналитических весов.
Взаимодействие в физике - это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их движения.
Близкодействие и дальнодействие (или действие на расстоянии). О том, как осуществляется взаимодействие тел, в физике издавна существовали две точки зрения. Первая из них предполагала наличие некоторого агента (например, эфира), через который одно тело передает свое влияние на другое, причем с конечной скоростью. Это теория близкодействия. Вторая предполагала, что взаимодействие между телами осуществляется через пустое пространство, не принимающее никакого участия в передаче взаимодействия, причем передача происходит мгновенно. Это теория дальнодействия. Она, казалось бы, окончательно победила после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения. Так, например, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. Кроме самого Ньютона, позднее концепции дальнодействия придерживались Кулон и Ампер.
После открытия и исследования электромагнитного поля (см.Электромагнитное поле) теория дальнодействия была отвергнута, так как было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью (равной скорости света: с = 3 108 м/с) и перемещение одного из зарядов приводит к изменению сил, действующих на другие заряды, не мгновенно, а спустя некоторое время. Возникла новая теория близкодействия, которая была затем распространена и на все другие виды взаимодействий. Согласно теории близкодействия взаимодействие осуществляется посредством соответствующих полей, окружающих тела и непрерывно распределенных в пространстве (т. е. поле является тем посредником, который передает действие одного тела на другое). Взаимодействие электрических зарядов - посредством электромагнитного поля, всемирное тяготение - посредством гравитационного поля.
На сегодняшний день физике известны четыре типа фундаментальных взаимодействий, существующих в природе (в порядке возрастания интенсивности): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия.
Фундаментальными называются взаимодействия, которые нельзя свести к другим типам взаимодействий.
|
||||||||||||||||||||
Фундаментальные взаимодействия отличаются интенсивностью и радиусом действия (см. табл. 1.1). Под радиусом действия понимают максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь.
По радиусу действия фундаментальные взаимодействия делятся надальнодействуюгцие {гравитационное и электромагнитное) икороткодействующие (слабое и сильное) (см. табл. 1.1).
Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все тела в природе - от звезд, планет и галактик до микрочастиц: атомов, электронов, ядер. Его радиус действия равен бесконечности. Однако как для элементарных частиц микромира, так и для окружающих нас предметов макромира силы гравитационного взаимодействия настолько малы, что ими можно пренебречь (см. табл. 1.1). Оно становится заметным с увеличением массы взаимодействующих тел и потому определяющим в поведении небесных тел и образовании и эволюции звезд.
Слабое взаимодействие присуще всем элементарным частицам, кроме фотона. Оно отвечает за большинство ядерных реакций распада и многие превращения элементарных частиц.
Электромагнитное взаимодействие определяет структуру вещества, связывая электроны и ядра в атомах и молекулах, объединяя атомы и молекулы в различные вещества. Оно определяет химические и биологические процессы. Электромагнитное взаимодействие является причиной таких явлений, как упругость, трение, вязкость, магнетизм и составляет природу соответствующих сил. На движение макроскопических электронейтральных тел оно существенного влияния не оказывает.
Сильное взаимодействие осуществляется между адронами, именно оно удерживает нуклоны в ядре.
В 1967 г. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг создали теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие с радиусом действия 10~17 м, в пределах которого исчезает различие между слабым и электромагнитным взаимодействиями.
В настоящее время выдвинута теория великого объединения, согласно которой существуют лишь два типа взаимодействий: объединенное, куда входятсильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, и гравитационное взаимодействие.
Есть также предположение, что все четыре взаимодействия являются частными случаями проявления единого взаимодействия.
В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой (см.Сила). Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия (см. Потенциальная энергия).
Силы в механике делятся на гравитационные, упругости и трения. Как уже упоминалось выше, природа механических сил обусловлена гравитационным и электромагнитным взаимодействиями. Только эти взаимодействия можно рассматривать как силы в смысле механики Ньютона. Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, при которых законы механики Ньютона, а вместе с ними и понятие механической силы теряют смысл. Поэтому термин «сила» в этих случаях следует воспринимать как «взаимодействие».
Опыт показывает, что при сближении тел (или систем тел) характер их поведения меняется. Поскольку эти изменения носят взаимный характер, говорят, что тела взаимодействуют друг с другом. При разведении тел на очень большие расстояния (на бесконечность) все известные на сегодняшний день взаимодействия исчезают.
Галлилей первым дал правильный ответ на вопрос, какое движение характерно для свободных (т.е. не взаимодействующих тел). Вопреки существующему тогда мнению, что свободные тела “стремятся” к состоянию покоя (), он утверждал, что при отсутствии взаимодействия тела находятся в состоянии равномерного движения (), включающего покой как частный случай.
Инерциальные системы отсчета.
В рамках формального математического подхода, реализуемого в кинематике, утверждение Галилея выглядит бессмысленным, поскольку равномерное в одной системе отсчета движение может оказаться ускоренным в другой, которая “ничем не хуже” исходной. Наличие взаимодействия позволяет выделить особый класс систем отсчета, в которых свободные тела движутся без ускорения (в этих системах большинство законов природы имеют наиболее простую форму). Такие системы называются инерциальными.
Все инерциальные системы эквивалентны друг другу, в любой из них законы механики проявляются одинаково. Это свойство было также отмечено Галилеем в сформулированном им принципе относительности: никаким механическим опытом в замкнутой (т.е. не сообщающейся с внешним миром) системе отсчета невозможно установить покоится ли она или равномерно движется. Любая система отсчета, равномерно движущаяся относительно инерциальной тоже является инерциальной.
Между инерциальными и неинерциальными системами отсчета существует принципиальное отличие: находящийся в замкнутой системе наблюдатель способен установить факт движения с ускорением последних, “не выглядывая наружу”(напр. при разгоне самолета пассажиры ощущают, что их “вдавливает” в кресла). В дальнейшем будет показано, что в неинерциальных системах геометрия пространства перестает быть евклидовой.
Законы Ньютона как основа классической механики.
Сформулированные И.Ньютоном три закона движения в принципе позволяют решить основную задачу механики, т.е. по известным начальному положению и скорости тела определить его положение и скорость в произвольный момент времени.
Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета.
Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах ускорение тела пропорционально приложенной силе, физической величине, являющейся количественной мерой взаимодействия. Величину силы, характеризующей взаимодействие тел, можно определить, например, по деформации упругого тела, дополнительно введенного в систему так, что взаимодействие с ним полностью компенсирует исходное. Коэффициент пропорциональности между силой и ускорением называют массой тела:
Под действием одинаковых сил тела с большей массой приобретают меньшие ускорения. Массивные тела при взаимодействии в меньшей степени меняют свои скорости, “стремясь сохранить естественное движение по инерции”. Иногда говорят, что масса является мерой инертности тел (рис. 4_1).
К классическим свойствам массы следует отнести 1) ее положительность (тела приобретают ускорения в направлении приложенных сил), 2) аддитивность (масса тела равна сумме масс его частей), 3) независимость массы от характера движения (напр. от скорости).
Третий закон утверждает, что взаимодействия оба объекта испытывают действия сил, причем эти силы равны по величине и противоположно направлены.
Типы фундаментальных взаимодействий. Попытки классификации взаимодействий привели к идее выделения минимального набора фундаментальных взаимодействий, при помощи которых можно объяснить все наблюдаемые явления. По мере развития естествознания этот набор менялся. В ходе экспериментальных исследований периодически обнаруживались новые явления природы, не укладывающиеся в принятый фундаментальный набор, что приводило к его расширению (например, открытие структуры ядра потребовало введения ядерных сил). Теоретические же осмысление, вцелом стремящееся к единому, максимально экономному описанию наблюдаемого многообразия, неоднократно приволило к “великим объединениям” внешне совершенно несхожих явлений природы (ньютон понял, что падение яблока и движение планет вокруг Солнца являются результатами проявления гравитационных взаимодействий, Эйнштейн установил единую природу электрических и магнитных взаимодействий, Бутлеров опроверг утверждения о различной природе органических и неорганических веществ).
В настоящее время принят набор из четырех типов фундаментальных взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильное и слабые ядерные. Все остальные, известные на сегодняшний день, могут быть сведены к суперпозиции перечисленных.
Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мега-мире).
Электромагнитные взаимодействия обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Играют доминирующую роль в макро мире и микромире вплоть на расстояниях, превосходящих характерные размеры атомных ядер.
Ядерные взаимодействия играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра, где классическое описание заведомо неприменимо.
В настоящее время стали весьма популярны рассуждения о биополе, при помощи которого “объясняется” ряд не очень надежно установленных на эксперименте явлений природы, связанных с биологическими объектами. Серьезное отношение к понятию биополя зависит от того, какой конкретный смысл. Вкладывается в этот термин. Если понятие биополя используется для описания взаимодействий с участием биологических объектов, сводящихся к четырем фундаментальным, такой подход не вызывает принципиальных возражений, хотя введение нового понятия для описания “старых” явлений противоречит общепринятой в естествознании тенденции к минимизации теоретического описания. Если же под биополем понимается новый тип фундаментальных взаимодействий, проявляющийся на макроскопическом уровне (возможности существования которого априорно, очевидно, отрицать бессмысленно), то для столь далеко идущих выводов необходимы очень серьезные теоретические и экспериментальные обоснования, сделанные на языке и методами современного естествознания, которые до настоящего времени представлены не были.
Законы Ньютона и основная задача механики.
Для решения основной задачи механики (определение положения тела в произвольный момент времени по известным начальному положению и скорости) достаточно найти ускорение тела как функцию времени a(t). Эту задачу решают законы Ньютона (1) при условии известных сил. В общем случае силы могут зависеть от времени, положения и скорости тела:
(2) F=F(r,v,t) ,
т.е. для нахождения ускорения тела необходимо знать его положение и скорость. Описанная ситуация в математике носит название дифференциального уравнения второго порядка:
В математике показывается, что задача (3-4) при наличии двух начальных условий (положение и скорость в начальный момент времени) всегда имеет решение и притом единственное. Т.о. основная задача механики в принципе всегда имеет решение, однако найти его часто бывает весьма трудно.
Детерминизм Лапласа. Немецкий математик Лаплас применил аналогичную теорему о существовании и единственности решения задачи типа (3-4) для системы из конечного числа уравнений для описания движения всех взаимодействующих друг с другом частиц реального мира и пришел к выводу о принципиальной возможности расчета положения всех тел в любой момент времени. Очевидно, что это означало возможность однозначного предсказанная будущего (хотя бы в принципе) и полную детерменированность (предопределенность) нашего мира. Сделанное утверждение, носящее скорее философский, а не естественно научный характер, получило название детерминизма Лапласа. При желании из него можно было сделать весьма далеко идущие философские и социальные выводы о невозможности влиять на предопределенный ход событий. Ошибочность этого учения состояла в том, что атомы или элементарные частицы (“материальные точки”, из которых составлены реальные тела) на самом деле не подчиняются классическому закону движения (3), верному лишь для макроскопических объектов (т.е. обладающих достаточно большими массами и размерами). Правильное с точки зрения сегодняшней физики описание движения во времени микроскопических объектов, какими являются составляющие макроскопические тела атомы и молекулы, дается уравнениями квантовой механики, позволяющими определить только вероятность нахождения частицы в заданной точке, но принципиально не дающего возможности расчета траекторий движения для последующих моментов времени.