Взаимодействие в природе

Введение

Современные достижения физики высоких энергий все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют составных частей.

Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов — это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы, также обладают внутренней структурой и, следовательно, не являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим примером элементарной частицы является квант света — фотон.

Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.

Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами.

При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами — переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы — переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.

В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Сила тяжести

Силой тяжести называют равнодействующую двух сил — силы ньютоновского притяжения всей массой Земли и центробежной силы, возникающей вследствие суточного вращения Земли. Отнесенные к единице массы, эти силы характеризуются ускорениями силы тяжести g=F/m, ньютоновского притяжения f=Fн/m и центробежным P=P/m. Ускорение силы тяжести равно геометрической сумме ускорения притяжения и центробежного ускорения. Обычно в гравиметрии, когда говорят «сила тяжести», подразумевают именно ускорение силы тяжести.

Гравитационное взаимодействие

Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.

Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных полях.

Если пренебречь всеми релятивистскими эффектами и ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m1 и m2 дается соотношением

где r — расстояние между частицами, G — ньютоновская гравитационная постоянная, играющая роль константы гравитационного взаимодействия. Данное соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) отлична от нуля при любом конечном r и спадает к нулю очень медленно. По этой причине говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим.

Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными.

Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.

Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса

Rg = 2GM / c2,

где M — масса звезды, а c — скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии черных дыр во Вселенной.

В рамках общей теории относительности впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет.

Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории гравитации и квантовой механики.

Сила, с которой тело притягиваются к Земле, называется силой тяжести.

Fт – сила тяжести. Она направлена вертикально вниз если не учитывать. Точка приложения силы тяжести находится в центре тела.

g = 9,8 Н/кг – коэффициент пропорциональности, показывающий, что на тело массой 1 кг действует сила тяжести равная 9,8 Н

FТ = mg – модуль силы тяжести, где m – масса тела.

Отсюда видим, что сила тяжести прямо пропорциональна массе тела.

Сила тяжести, действующая на данное тело зависит:

1. От высоты тела над поверхностью Земли. Если тело поднять на некоторую высоту, то сила тяжести уменьшится.

2. От местоположения на Земле. Вследствие вращения Земли она сплюснута у полюсов. Тело находится ближе к центру Земли и g больше, поэтому на полюсах сила тяжести больше чем на экваторе.

Сила тяжести равна сила всемирного тяготения, действующая на тело со стороны Земли, (если не учитывать суточное вращение Земли).

Сила упругости – это сила, возникающая при деформации тела и препятствующая ей.

Fупр – сила упругости. Она направлена всегда против деформации тела.

Точка приложения силы упругости находится на опоре, или на подвесе

Английский ученый Роберт Гук установил: сила упругости, возникающая при упругой деформации растяжения и сжатия, прямо пропорциональна абсолютному удлинению тела и направлена против деформации. L0- начальная длина тела. L – конечная длина тела. ∆L = L – L0 –удлинение тела, показывает на сколько изменяется длина тела Fвнеш. – внешняя сила, вызывающая деформацию тела. ∆L>0 , при деформации растяжения. ∆L<0 , при деформации сжатия.

Fупр.= k | ∆L| -закон Гука

k – жесткость тела – физическая величина, показывающая какая сила упругости возникает в теле при его удлинении на 1 м. = Н/м

Сила трения – это сила, возникающая при касании двух тел и препятствующая их взаимному перемещению. Сила трения всегда направлена против скорости тела.

Причиной возникновения силы трения покоя является:

    1. Неровности на соприкасающихся телах.
    2. Силы взаимного притяжения между молекулами соприкасающихся тел.

Чтобы уменьшить трение используют смазку, которая заполняет неровности и разъединяет молекулы соприкасающихся тел, не давя им притягиваться. Сила трения относится к электромагнитным силам.

Виды трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.

Трение покоя.

F тр. пок. – это сила препятствующая началу движения одного тела по поверхности другого.

Fтр.пок. = F тяги, если v = 0

F тр.пок. мах. – сила трения покоя максимальная


F тр.пок. мах. = F тяги, если v = const, т. е. она равна той силе тяги, которая сдвигает тело с места.

Сила трения покоя играет большую роль в нашей жизни, т. к. благодаря ей мы можем перемещаться; она помогает сдвинуть с места транспортное средство, она удерживает одно тело на поверхности другого.

Сила трения скольжения.

Сила трения скольжения – это сила трения возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого.Fтр. ск. = F тяги, если тело движется прямолинейно и равномерно.

Fтр. ск.<F тр.пок. мах.

Сила трения скольжения не зависят от площади соприкасающихся тел.

Fтр. ск. зависит:

1.от силы давления. Чем больше сила давления, тем больше и сила трения.

от качества обработки поверхностей соприкасающихся тел

3. от материала соприкасающихся тел.

Сила трения качения.

Сила трения качения — это сила, препятствующая качению одного тела по поверхности другого.

Основная причина ее возникновения в том, что катящееся тело, деформирует опору и ему приходится все время выкатываться из образующейся лунки.

Fтр. кач. = F тяги, если тело движется прямолинейно и

При прочих равных условиях сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.

На этом свойстве основано применение шариковых и роликовых подшипников.

Сила сопротивления.

Сила сопротивления – это сила трения возникающая при движении тела в жидкости или газе. В жидкости нет силы трения покоя, поэтому даже небольшая сила тяги может сдвинуть тело с места.

Fс зависит:

  1. от скорости движения тела. При небольших скоростях Fc прямо пропорциональна скорости, а при больших скоростях пропорциональна квадрату скорости.
  2. от геометрической формы тела. Наиболее обтекаемой является каплевидная форма тела.
  3. от вязкости жидкости. Чем больше вязкость, тем больше сила сопротивления.

Fтр. . = μ.Fд = μN

μ. – коэффициент трения Fд — сила давления на опору N – сила реакции опоры.


Если между соприкасающимися телами имеется слой смазки, то трение называют жидким, а если смазки нет, то – сухим.

Сила трения не потенциальная сила, т. е работа этой силы зависит от формы траектории движения и на замкнутой траектории работа этой силы не равна нулю.

Как всем известно, закон всемирного тяготения был создан Ньютоном. Но Исаак Ньютон не обосновал теоретически гравитацию и даже не пожелал определить причины её возникновения, я уже не говорю о механизме её действия. Он просто сказал в своих «Началах», что не желает работать над гипотезами. Но другие учёные надеялись найти объяснение всемирному притяжению. Сегодня существует два десятка научных работ, которые в некоторой степени затрагивают проблему эфира. Можно выделить три основных принципа. Первый – это притяжение, как последствие пульсации атомов через эфир. Второй – это проявление сил между возбудителем и поглотителем. Третий – это последствие атаки материальных тел частицами эфира. Каждый из этих принципов содержит в себе различные противоречия.
Задача объяснения природы всемирного тяготения довольна сложная. Противоречивым можно также считать понятие «сила всемирного тяготения». Ещё до 1915 года к этому вопросу подходили с особой осторожностью. Многие учёные утверждали, что любая материя в поле возможного наблюдения проявляет взаимодействие с другими материями. Взаимодействие сводилось к тому, что две массы m1 и m2, находящиеся на расстоянии r, которое превышает их размеры.

Могут вызывать силу, способную действовать на эти массы. При этом силы пытаются сблизиться друг с другом.
Внешнее проявление данного явления представляет собой взаимодействие сил, исходящих от масс. Словами «тела притягиваются» можно вкратце описать природное явление. Нельзя утверждать, что масса m1 притягивает другую массу m2 при воздействии на неё силы F. Мы теоретически можем утверждать, что масса m1, расположенная на расстоянии r от массы m2, притягивает вторую при помощи силы F. Теории небесной механики целиком основаны на законе всемирного тяготения Ньютона, но при этом мало кто задумывался об описании характера закона Ньютона и его дальнодействия. Только в 18 веке стала развиваться теория дальнодействия, так как появились теории магнитного и электрического взаимодействия, которые необходимо было привязать к похожим законам Ньютона.
В 19 веке Фарадей указал на то, что нецелесообразно допущение дальнодействия, так как тела неспособны возбуждать силу там, где они отсутствуют. Он рассматривал магнитные и электрические явления, чтобы доказать промежуточное влияние окружающей среды. Опыты Герца являются доказательством правильного направления в опытах Фарадея по влиянию на процессы промежуточной среды. Сегодня не существует идеальной модели среды, которая бы смогла объяснить силы всемирного тяготения.
Вопрос всемирного тяготения принял другую окраску после внедрения Эйнштейном общей теории относительности. Он заменил силу притяжения на кривизну пространства, то есть времени около массивных тел. Такие действия сложно объяснить со стороны физики. Возможно, это формальное решение, которое обосновано на математических формулах.
Давайте посмотрим на данный вопрос со стороны теории эфиродинамики. Чтобы разобраться в механизме гравитационных процессов, необходимо мысленно поместить массивное тело с удельным расходом q1 в потоковое поле, а также меньшее тело с удельным расходом q2. Расстояние между центрами тел намного больше радиуса малого тела. Поэтому на малое тело набегает равномерный поток с постоянной скоростью, которая имеет направление к центру большого тела:
Vre1=q1/4πρer2
В данной формуле мы опустили знак «-«, так как направление к центру большого тела мы оговорили на словах. Тело малого диаметра поглощает эфир массой q2dt. При этом масса поглощённого эфира теряет скорость Vre1, в результате чего появляется импульс силы Frdt, который определяется количеством движений данной массы Vre1 q2dt. Импульс приложен к эфиру. Поэтому с данной силой эфир воздействует на тело малой массы:
F = (q1 q2)/(4 πρer2)
Где q1 и q2 – это удельные расходы, на массу малого и большого тела
F = α2(m1 m2)/ (4 πρer2)
Также можно построить модель воздействия малого тела по отношению к большому телу. Это возможно благодаря потенциальному потоку, описанному в уравнении Лапласа, так как применим принцип наложения потоков. Этот вывод будет правильным для любого количества тел. Давайте сопоставим полученное выражение с законом всемирного тяготения Ньютона:
F=f(m1m2)/r2
Где постоянное тяготение равно f=6,7×10-11Нм2/кг2, а формула связи такая:
f = α2/4πρЭ
Ускорение силы тяжести имеет следующий вид:
g= αVre=∫m1/r2
Данное ускорение не имеет зависимость от постоянного движения тела. Силу гравитации можно обозначить следующей формулой:
Fg=mg=mαVre

Добавить комментарий

Закрыть меню