Третий закон Ньютона

До сих пор мы говорили о том, что на рассматриваемое тело действуют другие тела. Количественно это действие определялось силой. Как показывает опыт, такое действие не может быть односторонним, нельзя подействовать некоторой силой, не испытав противодействия. Другими словами, всякое действие носит характер взаимодействия. Силы «действия» и «противодействия» равноправны и неразличимы. Они одновременно возникают и одновременно исчезают, но приложены к разным телам. Все это составляет содержание третьего закона динамики или третьего закона Ньютона: силы, с которыми тела действуют друг на друга, всегда равны по величине и противоположны по направлению. Это значит, что при взаимодействии двух тел сила F[2, с которой первое тело действует на второе, равна по абсолютной величине и противоположна по направлению силе F2l, с которой второе тело действует на первое, т.е.

Классификация сил в механике

Говоря о мере воздействия на тело со стороны других тел, отметим, что все существующие в природе взаимодействия могут быть сведены к небольшому числу основных видов сил. В первую очередь к ним следует отнести гравитационные и электромагнитные силы. К последним относятся силы межатомного и межмолекулярного взаимодействия, макроскопическим проявлением которых являются силы упругости (за пределами нашего рассмотрения здесь остались короткодействующие ядерные силы, связывающие нуклоны в ядрах, и слабые взаимодействия, проявляющиеся в их распаде).

Силы гравитационного притяжения самые слабые из всех, они действуют между всеми материальными телами. Их действие осуществляется через гравитационное поле и распространяется на большие расстояния. сила гравитационного притяжения между двумя точечными массами Мит определяется законом всемирного тяготения Ньютона

где G= 6,67-10 м3/(кгс2) — гравитационная постоянная; г — радиус-вектор, проведенный из одной материальной точки в другую, по абсолютной величине равный расстоянию между ними.

Эти силы определяют взаимодействия небесных тел друг с другом, применительно к телам, находящимся на поверхности Земли, они вызывают появление силы тяжести, которую не следует путать с весом тела, приложенным к опоре и зависящим от состояния движения тела (т.е. его ускорения относительно центра притяжения).

Закон всемирного тяготения справедлив не только для точечных МТ, но и для любых тел, в частности, для однородных шаров, масса которых распределена сферически симметрично (тогда г представляет собой расстояние между центрами тел). При расчете космических траекторий это условие можно считать выполненным.

В приведенном законе мы снова встречаемся с понятием «масса». Здесь масса является гравитационной. Это, вообще говоря, не та инертная масса, с которой мы уже встречались в уравнении второго закона Ньютона. Однако практика показывает (и никакие эксперименты этого не опровергают), что масса инерционная равна массе гравитационной, т.е. масса есть объективная характеристика тела, одинаково проявляющаяся и в законе инерции, и в гравитационном законе.

Электромагнитные силы удерживают электроны в атомах, связывают атомы в молекулах и кристаллах, определяют взаимодействие атомов и молекул между собой. Электромагнитные силы являются дальнодействующими (т.е., как и гравитационные, они медленно -1/7-2 убывают с расстоянием).

При решении практических задач механики приходится иметь дело с силами тяжести, упругости и трения (сопротивления). Эти силы, как было сказано, сводятся к уже перечисленным: сила тяжести есть результат проявления гравитационного взаимодействия, силы упругости и трения — проявление электромагнитного взаимодействия атомов и молекул как внутри тел, так и между ними. Примером макроскопических сил упругости могут служить силы, действующие со стороны подвеса, на котором закреплен груз. Подвес под действием груза растягивается (деформируется), и, как следствие этого, возникают силы упругости. Силы упругости, возникающие в подвесе, принято называть силами натяжения. Силы, действующие со стороны опоры на находящийся на этой опоре груз, также являются силами упругости. В этом случае силы упругости возникают в результате деформации опоры под действием груза. Силы упругости в этом случае принято называть силами реакции опоры (или просто реакцией опоры). Силы упругости при малых деформациях связаны с деформацией линейной зависимостью, т.е., подчинены закону Гука: величина деформации пропорциональна деформирующей силе и противоположна ей по знаку

где р — коэффициент пропорциональности (коэффициент упругости или жесткости); х — абсолютная величина деформации растяжения или сжатия.

В отношении сил, описываемых выражением (1.58) в физике часто употребляется термин «квазиупругая» (как бы упругая) сила даже в том случае, когда по своему существу они силами упругости не являются (например, сила межатомного взаимодействия в двухатомной молекуле). При больших деформациях сила упругости может зависеть от смещения хнелинейно

Коэффициенты уь у2, ... называют коэффициентами ангармоничности.

Силы трения скольжения возникают при непосредственном контакте тел и обусловлены явлениями, происходящими в поверхностных слоях соприкасающихся тел. Такое трение, которое действует между поверхностями различных соприкасающихся тел, называется внешним. Из школьного курса физики известно, что сила трения FTp в этом случае пропорциональна силе Анормального давления

где/ — коэффициент трения.

Этот коэффициент зависит от материала, состояния поверхностей соприкосновения, наличия смазки и других факторов. Сила трения всегда направлена против направления движения тела и лежит в плоскости соприкосновения тел.

Трение может проявиться также и при взаимодействии различных частей одного тела, например, между различными слоями жидкости или газа (см. подраздел 4.7.7), движущимися с различными скоростями. Такое трение называется внутренним, а его проявление — вязкостью. Сила внутреннего (вязкого) трения появляется при движении твердого тела в жидкости или газе, так как непосредственно примыкающие к телу молекулы среды, окружающей тело, «прилипают» к нему и движутся вместе с ним. При малых скоростях тела сила трения может линейно зависеть от скорости

где к — коэффициент, зависящий от свойств среды и формы тела.

При возрастании скорости зависимость силы трения от и изменяется, может стать нелинейной (см. подраздел 4.7.10). В некотором определенном интервале скоростей сила трения оказывается пропорциональной квадрату скорости:

Коэффициент кх также зависит от свойств среды в которой происходит движение и формы движущегося тела.

Приведенные сведения о природе сил в физике не дают ответа на простой вопрос: что удерживает атомы в молекулах? Более того, доказано, что силы одной только электростатической природы не могут обеспечить стабильности молекул. Надо признать, что в рамках классической физики ответа на этот вопрос вообще получить нельзя. Квантовые законы приводят к так называемым обменным взаимодействиям, создающим дополнительные силы, стабилизирующие молекулы. Можно сказать, что обменные силы — это результат проявления квантовых свойств вещества.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >