Силы в механике

Обсуждая до сих пор силы, мы не интере­совались их происхождением. Однако в механике мы будем рассматривать раз­личные силы: трения, упругости, тяготе­ния.

а) Силы трения. Из опыта известно, что всякое тело, движущееся по горизонтальной поверхно­сти другого тела, при отсутствии действия на него других сил с течением времени замедляет свое движение и в конце концов останавливается. Это можно объяснить существованием силы трения, которая препятствует скольжению соприкасаю­щихся тел друг относительно друга. Различают внешнее (сухое) и внутрен­нее (жидкое или вязкое) трение. Внешним трением называется трение, возникающее в плоскости касания двух соприкасающих­ся тел при их относительном перемещении. Если соприкасающиеся тела неподвижны друг относительно друга, говорят о трении покоя, если же происходит относительное перемещение этих тел, то в зависимости от характера их относительного движения говорят о трении скольжения, качения или верчения.

Обсудим некоторые закономерности внешнего трения. Это трение обусловлено шероховатостью соприкасающихся повер­хностей; в случае же очень гладких по­верхностей трение обусловлено силами межмолекулярного притяжения.

Рассмотрим лежащее на плоскости те­ло (рис. 2.2), к которому приложена горизонтальная сила . Тело придет в движе­ние лишь тогда, когда приложенная сила будет больше силы трения . Француз­ские физики Г. Амонтон и Ш. Кулон опытным путем установили следующий закон: сила трения скольжения F_тр пропорциональна силе F_N нормального давления, с которой одно тело действует на другое:

F_тр = μ F_N, (2.11)

где μ - коэффициент трения скольжения, зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей.

Для гладких поверхностей определенную роль играет межмолекулярное притяжение. В этом случае закон трения скольжения имеет вид

F_тр = μ_ист (F_N +Sp ₀),

где p ₀- добавочное давление, обус­ловленное силами межмолекулярного при­тяжения, которые быстро уменьшаются с увеличением расстояния между частица­ми; S - площадь контакта между телами; μ_ист - истинный коэффициент трения скольжения.

Трение играет большую роль в при­роде и технике. Благодаря трению движет­ся транспорт, удерживается забитый в стену гвоздь и т. д.

В некоторых случаях силы трения ока­зывают вредное действие, и поэтому их надо уменьшать. Для этого на трущиеся поверхности наносят смазку (сила трения уменьшается примерно в 10 раз), которая заполняет неровности между этими повер­хностями и располагается тонким слоем между ними так, что поверхности как бы перестают касаться друг друга, а скользят друг относительно друга отдельные слои жидкости. Таким образом, внешнее трение твердых тел заменяется значительно мень­шим внутренним трением жидкости.

Радикальным способом уменьшения силы трения является замена трения скольжения трением качения (шариковые и роликовые подшипники и т.д.).

б) Упругие силы. Под действием внешних сил возникают деформации (т. е. изменения размеров и формы) тел. Если после прекращения действия внешних сил восстанав­ливаются прежние форма и размеры тела, то дефор­мация называется упругой. Деформация имеет упругий характер в случае, если внешняя сила не превосходит определенного значения, которое назы­вается пределом упругости. При превышении этого предела деформация становится пластиче­ской. В этом случае после устранения внешних сил первоначальные форма и размеры тела полностью не восстанавливаются. В дальнейшем мы будем рассматривать только упругие деформации.

В деформированном теле возникают упругие силы, которые уравновешивают внешние силы, вызвавшие деформацию. Поясним это на примере деформации пружины. Под действием внешней силы пружина получает удлинение х, в результате чего в ней возникает упругая сила , уравновешивающая силу .

Упругие силы возникают во всей деформированной пружине. Любая часть пружины действует на другую часть с силой, равной .

Установленный экспериментально закон Гука утверждает, что при упругой деформации удлинение пружины пропорционально внешней силе. Аналитически эту закономерность принято записывать следующим образом:

.

Величина k называется жест­костью пружины. Из этого выражения следует, что чем больше k, тем меньшее удлинение получает пружина под действием данной силы.

Упругая сила отличается от внешней только знаком. Поэтому F_упр,x = - F_внеш,x и, следовательно,

.

Опустим для краткости индекс «упр» и напишем это соотношение в виде
F_x = - kx, (2.12)

где F_x - проекция упругой силы на ось х, k - жест­кость пружины, х - удлинение пружины.

в) Силы тяжести и всемирного тяготения. И. Ньютон, изучая дви­жение небесных тел, на основании законов Кеплера и основных законов динамики открыл всеобщий закон всемирного тя­готения: между любыми двумя материаль­ными точками действует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению масс этих точек (m ₁ и m ₂) и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними (r ²):

F = G m ₁ m ₂ /r ². (2.13)

Эта сила называется гравитационной (или силой всемирного тяготения). Силы тяго­тения всегда являются силами притяже­ния и направлены вдоль прямой, проходя­щей через взаимодействующие тела. Ко­эффициент пропорциональности G на­зывается гравитационной постоянной.

Закон всемирного тяготения установ­лен для тел, принимаемых за материальные точки, т. е. для таких тел, размеры кото­рых малы по сравнению с расстоянием между ними. Если же размеры взаимодей­ствующих тел сравнимы с расстоянием между ними, то эти тела надо разбить на точечные элементы, подсчитать силы притяжения между всеми попарно взятыми элементами, а затем гео­метрически их сложить (проинтегрировать), что является довольно сложной ма­тематической задачей.

На любое тело, расположенное вблизи Земли, действует сила тяготения F, под влиянием которой, согласно второму за­кону Ньютона, тело начнет двигаться с ускорением свободного падения g. Та­ким образом, в системе отсчета, связанной с Землей, на всякое тело массой m дей­ствует сила

, (2.14)

называемая силой тяжести.

Согласно фундаментальному физиче­скому закону - обобщенному закону Га­лилея, все тела в одном и том же поле тяготения падают с одинаковым ускорени­ем. Следовательно, в данном месте Земли ускорение свободного падения одинаково для всех тел.

Если пренебречь суточным вращением Земли вокруг своей оси, то сила тяжести и сила гравитационного тяготения равны между собой:

F_Т = mg = G mM /R ², (2.15)

где М - масса Земли; R - расстояние между телом и центром Земли. Эта форму­ла дана для случая, когда тело находилось вблизи поверхности Земли.

Если тело расположено на высоте h от поверхности Земли, R ₀ - радиус Зем­ли, тогда

F_Т = G mM / (R ₀ + h)², (2.16)

т. е. сила тяжести с удалением от повер­хности Земли уменьшается.

В физике применяется также понятие веса тела. Весом тела называют силу, с которой тело вследствие тяготения к Земле действует на опору (или подвес), удерживающую тело от свободного паде­ния. Вес тела проявляется только в том случае, если тело движется с ускорением, отличным от , т. е. когда на тело кроме силы тяжести действуют другие силы. Со­стояние тела, при котором оно движется только под действием силы тяжести, на­зывается состоянием невесомости.

Таким образом, сила тяжести действует всегда, а вес появляется только в том случае, когда на тело кроме силы тяжести действуют еще другие силы, вследствие чего тело движется с ускорением , отлич­ным от . Если тело движется в поле тяготения Земли с ускорением ≠ ,то к этому телу приложена дополнительная сила , удовлетворяющая условию