Vārds "spēks" ir tik visaptverošs, ka dot tam skaidru jēdzienu ir gandrīz neiespējams uzdevums. Dažādība no muskuļu spēka līdz prāta spēkam neaptver visu tajā ieguldīto jēdzienu klāstu. Spēkam, ko uzskata par fizisku lielumu, ir skaidri noteikta nozīme un definīcija. Spēka formula definē matemātisko modeli: spēka atkarību no galvenajiem parametriem.
Spēku izpētes vēsture ietver atkarības no parametriem definīciju un eksperimentālu atkarības pierādījumu.
Spēks fizikā
Spēks ir ķermeņu mijiedarbības mērs. Ķermeņu savstarpējā iedarbība vienam uz otru pilnībā apraksta procesus, kas saistīti ar ķermeņu ātruma vai deformācijas izmaiņām.
Spēkam kā fiziskam lielumam ir mērvienība (SI sistēmā - Ņūtons) un tā mērīšanas ierīce - dinamometrs. Spēka mērītāja darbības princips ir balstīts uz spēku, kas iedarbojas uz ķermeni, salīdzināšanu ar dinamometra atsperes spēku.
Spēks 1 ņūtons ir spēks, ar kuru ķermenis, kura masa ir 1 kg, maina savu ātrumu par 1 m 1 sekundē.
Spēks kā vektora lielums ir definēts:
- darbības virziens;
- pieteikšanās punkts;
- modulis, absolūtsizmērs.
Aprakstot mijiedarbību, noteikti norādiet šos parametrus.
Dabiskās mijiedarbības veidi: gravitācijas, elektromagnētiskā, spēcīga, vāja. Gravitācijas spēki (universālās gravitācijas spēks ar tā dažādību - gravitācijas spēks) pastāv gravitācijas lauku ietekmes dēļ, kas ieskauj jebkuru ķermeni, kuram ir masa. Gravitācijas lauku izpēte līdz šim nav pabeigta. Lauka avotu vēl nav iespējams atrast.
Lielāks spēku diapazons rodas vielu veidojošo atomu elektromagnētiskās mijiedarbības rezultātā.
Spiediena spēks
Kad ķermenis mijiedarbojas ar Zemi, tas izdara spiedienu uz virsmu. Spiediena spēku, kura formula ir: P=mg, nosaka ķermeņa masa (m). Gravitācijas paātrinājumam (g) ir dažādas vērtības dažādos Zemes platuma grādos.
Vertikālā spiediena spēks absolūtā vērtībā ir vienāds un virzienā pretējs elastības spēkam, kas rodas balstā. Spēka formula mainās atkarībā no ķermeņa kustības.
Ķermeņa svara izmaiņas
Ķermeņa iedarbību uz balstu mijiedarbības ar Zemi dēļ bieži dēvē par ķermeņa svaru. Interesanti, ka ķermeņa masas apjoms ir atkarīgs no kustības paātrinājuma vertikālā virzienā. Gadījumā, ja paātrinājuma virziens ir pretējs brīvā kritiena paātrinājumam, tiek novērots svara pieaugums. Ja ķermeņa paātrinājums sakrīt ar brīvā kritiena virzienu, tad ķermeņa svars samazinās. Piemēram, atrodoties augšupejošā liftā, kāpuma sākumā cilvēks kādu laiku jūt svara pieaugumu. Apgalvojiet, ka tā masamainās, tā nav. Tajā pašā laikā mēs atdalām jēdzienus "ķermeņa svars" un tā "masa".
Elastīgais spēks
Mainot ķermeņa formu (tā deformāciju), parādās spēks, kam ir tendence atgriezt ķermeni tā sākotnējā formā. Šim spēkam tika dots nosaukums "elastīgais spēks". Tas rodas daļiņu, kas veido ķermeni, elektriskās mijiedarbības dēļ.
Apskatīsim vienkāršāko deformāciju: spriegojumu un saspiešanu. Spriegojumu pavada ķermeņu lineāro izmēru palielināšanās, savukārt saspiešanu pavada to samazināšanās. Šos procesus raksturojošo vērtību sauc par ķermeņa pagarinājumu. Apzīmēsim to ar "x". Elastīgā spēka formula ir tieši saistīta ar pagarinājumu. Katram ķermenim, kas pakļauts deformācijai, ir savi ģeometriskie un fiziskie parametri. Elastīgās deformācijas pretestības atkarību no korpusa un materiāla, no kura tas izgatavots, īpašībām nosaka elastības koeficients, sauksim to par stingumu (k).
Elastīgās mijiedarbības matemātisko modeli apraksta Huka likums.
Spēks, kas rodas no ķermeņa deformācijas, ir vērsts pret atsevišķu ķermeņa daļu pārvietošanās virzienu, ir tieši proporcionāls tā pagarinājumam:
- Fy=-kx (vektora apzīmējums).
Zīme "-" norāda pretējo deformācijas un spēka virzienu.
Skalārā formā nav negatīvas zīmes. Elastīgo spēku, kura formulai ir šāda forma Fy=kx, izmanto tikai elastīgām deformācijām.
Magnētiskā lauka mijiedarbība ar strāvu
Ietekmemagnētisko lauku līdzstrāvai apraksta Ampēra likums. Šajā gadījumā spēku, ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz tajā ievietoto strāvu nesošo vadītāju, sauc par ampēra spēku.
Magnētiskā lauka mijiedarbība ar kustīgu elektrisko lādiņu izraisa spēka izpausmi. Ampēra spēks, kura formula ir F=IBlsinα, ir atkarīgs no lauka magnētiskās indukcijas (B), vadītāja aktīvās daļas garuma (l), strāvas stipruma (I) vadītājā un leņķa. starp strāvas virzienu un magnētisko indukciju.
Pēdējās atkarības dēļ var apgalvot, ka magnētiskā lauka vektors var mainīties, pagriežot vadītāju vai mainoties strāvas virzienam. Kreisās rokas noteikums ļauj iestatīt darbības virzienu. Ja kreisā roka ir novietota tā, lai magnētiskās indukcijas vektors nonāktu plaukstā, četri pirksti tiek virzīti pa strāvu vadītājā, tad īkšķis, kas saliekts par 90°, rādīs plaukstas virzienu. magnētiskais lauks.
Cilvēce šo efektu izmantojusi, piemēram, elektromotoros. Rotora griešanos izraisa magnētiskais lauks, ko rada spēcīgs elektromagnēts. Spēka formula ļauj spriest par iespēju mainīt dzinēja jaudu. Palielinoties strāvas stiprumam vai lauka stiprumam, palielinās griezes moments, kā rezultātā palielinās motora jauda.
Daļiņu trajektorijas
Magnētiskā lauka mijiedarbība ar lādiņu plaši tiek izmantota masu spektrogrāfos elementārdaļiņu izpētē.
Lauka darbība šajā gadījumā izraisa tāda spēka parādīšanos, ko saucLorenca spēks. Kad lādēta daļiņa, kas pārvietojas ar noteiktu ātrumu, nonāk magnētiskajā laukā, Lorenca spēks, kura formulai ir forma F=vBqsinα, liek daļiņai kustēties pa apli.
Šajā matemātiskajā modelī v ir tādas daļiņas ātruma modulis, kuras elektriskais lādiņš ir q, B ir lauka magnētiskā indukcija, α ir leņķis starp ātruma virzieniem un magnētisko indukciju.
Daļiņa pārvietojas pa apli (vai apļa loku), jo spēks un ātrums ir vērsti viens pret otru 90° leņķī. Lineārā ātruma virziena maiņa izraisa paātrinājuma izskatu.
Iepriekš apspriestais kreisās rokas noteikums notiek arī, pētot Lorenca spēku: ja kreisā roka ir novietota tā, lai magnētiskās indukcijas vektors nonāk plaukstā, četri vienā līnijā izstiepti pirksti tiek virzīti gar pozitīvi lādētas daļiņas ātrums, tad īkšķis saliekts 90° parāda spēka virzienu.
Plazmas problēmas
Ciklotronos tiek izmantota magnētiskā lauka un vielas mijiedarbība. Problēmas, kas saistītas ar plazmas laboratorisko izpēti, neļauj to turēt slēgtos traukos. Ļoti jonizēta gāze var pastāvēt tikai augstā temperatūrā. Plazmu var noturēt vienuviet kosmosā ar magnētisko lauku palīdzību, gāzi pagriežot gredzena formā. Kontrolētas kodoltermiskās reakcijas var arī pētīt, augstas temperatūras plazmu vērpjot kvēldiegā, izmantojot magnētiskos laukus.
Magnētiskā lauka darbības piemērsin vivo uz jonizētas gāzes - Aurora Borealis. Šis majestātiskais skats ir vērojams aiz polārā loka 100 km augstumā virs zemes virsmas. Noslēpumaino krāsaino gāzes mirdzumu varēja izskaidrot tikai 20. gadsimtā. Zemes magnētiskais lauks netālu no poliem nevar novērst saules vēja iekļūšanu atmosfērā. Aktīvākais starojums, kas virzīts pa magnētiskās indukcijas līnijām, izraisa atmosfēras jonizāciju.
Ar lādiņa kustību saistītas parādības
Vēsturiski galveno lielumu, kas raksturo strāvas plūsmu vadītājā, sauc par strāvas stiprumu. Interesanti, ka šim jēdzienam nav nekā kopīga ar spēku fizikā. Strāvas stiprums, kura formula ietver lādiņu, kas laika vienībā plūst caur vadītāja šķērsgriezumu, ir:
I=q/t, kur t ir lādiņa plūsmas laiks q
Patiesībā pašreizējais stiprums ir lādiņa apjoms. Tā mērvienība ir ampērs (A), atšķirībā no N.
Spēka darba noteikšana
Piespiedu darbību uz vielu pavada darba veikšana. Spēka darbs ir fizikāls lielums, kas skaitliski vienāds ar spēka un tā iedarbības nobīdes reizinājumu un leņķa kosinusu starp spēka un nobīdes virzieniem.
Vēlamais spēka darbs, kura formula ir A=FScosα, ietver spēka lielumu.
Ķermeņa darbību pavada ķermeņa ātruma maiņa jeb deformācija, kas liecina par vienlaicīgām enerģijas izmaiņām. Spēka veiktais darbs ir atkarīgs novērtības.
