какие силы действуют на тело

Сила — это физическая величина, которая вызывает изменение движения или состояния покоя тела. В классовой механике на тело могут действовать различные силы, которые можно разделить на несколько категорий в зависимости от их природы и источников. Рассмотрим подробно, какие силы действуют на тело в различных ситуациях.

1. Гравитационные силы

Гравитация — это сила, с которой тела притягиваются друг к другу из-за их массы. Эта сила действует на все объекты, имеющие массу, и направлена к центру Земли или другого небесного тела.

• Сила тяжести: на Земле гравитационная сила действует на тело с ускорением $g$ (приблизительно 9,8 м/с²). Она направлена вниз, к центру Земли.

  $$F_{т}=mg$$

  где $m$ — масса тела, $g$ — ускорение свободного падения.

• Сила гравитационного притяжения между двумя телами: в случае взаимодействия двух тел, например, Земли и Луны или двух планет, сила гравитационного притяжения определяется законом всемирного тяготения Ньютона:

  $$F_{г}=G\frac{m_1{m}_2}{r^2}$$

  где $G$ — гравитационная постоянная, $m_1$ и $m_2$ — массы двух тел, $r$ — расстояние между ними.

2. Нормальная сила

Нормальная сила — это сила, с которой опорная поверхность действует на тело в ответ на его давление. Она всегда перпендикулярна поверхности, с которой контактирует тело. Например, когда тело лежит на столе, стол оказывает на него нормальную силу, уравновешивающую силу тяжести.

• Если тело не движется вертикально, то нормальная сила уравновешивает силу тяжести:

  $$F_{н}=F_{т}$$

  (если других сил, влияющих на тело, нет).

3. Сила трения

Сила трения возникает при движении одного тела по поверхности другого или при попытке этого движения. Эта сила препятствует относительному движению двух тел и зависит от состояния их поверхности и силы нормального давления.

• Скользящее трение: сила трения, возникающая при движении тела по поверхности. Она определяется как:

  $$F_{тр}=\mu N$$

  где $\mu$ — коэффициент трения, $N$ — нормальная сила.

• Статическое трение: сила, препятствующая началу движения тела. Она будет изменяться в зависимости от приложенной силы, пока не достигнет максимального значения:

  $$F_{тр,ст}\le {\mu }_{s}N$$

  где ${\mu }_s$ — коэффициент статического трения.

4. Сила упругости (сила восстановленного деформации)

Сила упругости возникает в теле, которое подвергается деформации (сжатию, растяжению, изгибу и т. д.). Например, когда мы сжимаем пружину, она оказывает силу, стремящуюся вернуть ее в исходное положение.

• Для пружины эта сила описывается законом Гука:

  $$F_{упр}=-k\Delta x$$

  где $k$ — жесткость пружины, $\Delta x$ — величина деформации (сжатия или растяжения).

5. Сила натяжения

Сила натяжения возникает в упругих материалах (например, в веревке, канате) при их растяжении. Когда тело подвешено на веревке или канате, эти объекты оказывают на тело силу натяжения, направленную вверх, компенсируя силу тяжести.

6. Сила электростатического взаимодействия

Это сила, с которой два заряженных тела притягиваются или отталкиваются друг от друга. Сила зависит от величины зарядов и расстояния между ними, и определяется законом Кулона:

$$F_{эл}=k_e\frac{|q_1{q}_2|}{r^2}$$

где $k_e$ — электростатическая постоянная, $q_1$ и $q_2$ — величины зарядов, $r$ — расстояние между зарядами.

7. Магнитные силы

Магнитные силы действуют на движущиеся заряды (например, на электрические токи) или на магниты. Эти силы описываются законами магнитного поля и Лоренца. Сила взаимодействия заряженной частицы с магнитным полем:

$$F=qv\times B$$

где $q$ — заряд частицы, $v$ — скорость частицы, $B$ — магнитная индукция.

8. Сила Архимеда

Сила Архимеда действует на тело, погруженное в жидкость или газ, и направлена вверх. Эта сила равна весу выталкиваемой телом жидкости (или газа) и определяется выражением:

$$F_A=\rho Vg$$

где $\rho$ — плотность жидкости или газа, $V$ — объем выталкиваемой жидкости, $g$ — ускорение свободного падения.

9. Сила инерции

Сила инерции возникает при ускорении тела, то есть при изменении его скорости. В инерциальной системе отсчета эта сила не существует, но в неинерциальных системах отсчета (например, в машине, которая поворачивает) возникает кажущееся «ускорение», которое мы воспринимаем как силу инерции. Эти силы зависят от ускорения и массы объекта.

• Например, центробежная сила в системе отсчета, вращающейся с угловым ускорением:

  $$F_{ц}=m{\omega }^{2}r$$

  где $m$ — масса тела, $\omega$ — угловая скорость, $r$ — радиус окружности.

10. Сила давления

Сила давления возникает на тело, находящееся в жидкости или газе, из-за столкновения молекул этой среды с поверхностью тела. Эта сила направлена перпендикулярно поверхности. Сила давления определяется как:

$$F_P=pA$$

где $p$ — давление в жидкости или газе, $A$ — площадь поверхности.

11. Сила Кориолиса

Это сила, возникающая при движении тела в вращающейся системе отсчета (например, на Земле). Она изменяет направление движения объекта и зависит от его скорости и угловой скорости вращения Земли. Сила Кориолиса выражается через:

$$F_C=2m(v\times \omega )$$

где $v$ — скорость тела, $\omega$ — угловая скорость вращения Земли.

Заключение

Все эти силы взаимодействуют в той или иной степени, определяя движение и поведение тела. На практике тело может испытывать несколько сил одновременно, и их векторные суммы определяют его ускорение и движение в пространстве.