Dotychczas zajmowaliśmy się wyłącznie opisem ruch (za pomocą wektorów r, v, oraz a). Były to rozważania geometryczne. Teraz omówimy przyczyny ruchu, zajmiemy się dynamiką.
Nasze rozważania ograniczymy do przypadku ciał poruszających się z małymi (w porównaniu z prędkością światła c) prędkościami tzn. zajmujemy się mechaniką klasyczną.
Żeby móc przewidzieć jaki będzie ruch ciała wywołany siłą na nie działającą trzeba wiedzieć jakiego rodzaju jest to siła i skąd się bierze. Dlatego rozpoczniemy nasze rozważania od poznania podstawowych oddziaływań oraz od zdefiniowania masy, pędu i wprowadzenia pojęcia siły F. Następnie poszukamy praw rządzących oddziaływaniami, a w dalszych częściach zajmiemy się poszczególnymi oddziaływaniami występującymi w przyrodzie.
Oddziaływania podstawowe
Według naszej dotychczasowej wiedzy istnieją tylko cztery podstawowe oddziaływania
(siły), z których wynikają wszystkie siły i oddziaływania zaobserwowane we
Wszechświecie:
- Oddziaływanie grawitacyjne - siła grawitacyjna działa na wszystkie masy (jest siłą
powszechną) i pochodzi od mas; ma długi zasięg i najmniejsze względne natężenie; - Oddziaływanie elektromagnetyczne - siła elektromagnetyczna działa na ładunki i prądy
i jej źródłem są ładunki i prądy; ma długi zasięg. Siły międzyatomowe mają charakter
elektromagnetyczny ponieważ atomy zawierają naładowane elektrony i protony,
a oddziaływania elektromagnetyczne ma wielokrotnie większe natężenie od
grawitacyjnego. Większość sił z jakimi spotykamy się na co dzień np. tarcie, siła
sprężystości jest wynikiem oddziaływania atomów, są to więc siły elektromagnetyczne; - Oddziaływanie jądrowe (silne) - siła utrzymująca w całości jądra atomowe pomimo
odpychania między protonami (ładunki dodatnie), ma bardzo krótki zasięg i największe
względne natężenie; - Oddziaływanie słabe - temu oddziaływaniu podlegają wszystkie cząstki elementarne,
w szczególności oddziaływanie to odpowiada za rozpady cząstek elementarnych.
W tabeli poniżej zestawione są cztery oddziaływania podstawowe.
Oddziaływanie
|
źródło oddziaływania
|
względna siła
|
Zasięg
|
| Grawitacyjne |
Masa |
około 10-38
|
Długi |
| Elektromagnetyczne |
Ładunek elektryczny
|
około 10-2
|
Długi
|
| Silne |
m.in. protony, neutrony
|
1 |
Krótki (około 10-15 m)
|
| Słabe |
cząstki elementarne
|
około 10-15
|
Krótki (około 10-18 m)
|
Masa
Nasze rozważania rozpoczynamy od przypisania ciałom masy m. Chcemy w ten sposób opisać fakt, że różne ciała wykonane z tego samego materiału, w tym samym otoczeniu uzyskują pod działaniem tej samej siły różne przyspieszenia (np. pchamy z jednakową siłą dwa rożne pojazdy "lekki" i "ciężki" i uzyskują one różne a). Zaproponowana poniżej metoda postępowania jest jednym z równoważnych sposobów definiowania masy. Opiera się ona na porównaniu nieznanej masy m z wzorcem masy m0 = 1 kg. Pomiędzy masami umieszczamy ściśniętą sprężynę i następnie zwalniamy ją.
Masy m i m0, które początkowo spoczywały polecą odrzucone w przeciwnych kierunkach
odpowiednio z prędkościami v i v0 - rysunek.
Nieznaną masę m definiujemy jako
Definicja:
m=m_0\frac{v_0}{v}
Jednostką masy w układzie SI jest kilogram (1kg) zdefiniowany za pomocą wzorca masy w Sevres (Francja).
Pęd
definicja:
Pęd ciała definiujemy jako iloczyn jego masy i prędkości (wektorowej)
Matematycznie można to sformułować więc tak:
\vec{p}=m\vec{v}
Jednostką pędu jest [p]=1kg\cdot1\frac{m}{s}, pęd nie posiada własnej (w sensie nazwanej) jednostki.
Siła
definicja:
Jeżeli na ciało o masie m działa siła F, to definiujemy ją jako zmianę w czasie pędu
tego ciała.
matematycznie można to zapisać tak:
\vec{F}=\frac{d\vec{p}}{dt}
w uproszczeniu (jeżeli masa ciała jest stała, m=const):
\vec{F}=\frac{d\vec{p}}{dt}=m\frac{d\vec{v}}{dt}
i w kolejnym uproszczeniu - jeżeli zmiana pędu jest liniowa:
\vec{F}=\frac{d\vec{p}}{dt}=m\frac{d\vec{v}}{dt}=m\frac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}=m\vec{a}
Wprowadziliśmy w ten sposób pojęcie siły F. Teraz podamy metodę obliczania sił działających na ciała; poznamy prawa rządzące oddziaływaniami.
Jednostką siły jest niuton (N) - 1N = 1kg\cdot 1\frac{m}{s^2}
Jeżeli masz jakieś pytania, zachęcam do zadawania pytań w komentarzach poniżej, gwarantujemy rozwiązanie wszystkich Twoich wątpliwości.
Miło nam poinformować, że nasz projekt "Księgarnia" doczekał się w końcu finalnej wersji. Nie jest to może szczyt osiągnięć, ale jakiś mały katalog książek z fizyki jednak mamy. I w związku z tym postanowiliśmy pomóc Wam w wyborze książek z tematyki fizycznej, polecając najlepsze z nich odpowiednio gimnazjalistom, licealistom, maturzystom, kandydatom na studia techniczne, studentom kierunków technicznych, i samym fizykom (także studentom fizyki).