Силы в механике. Упругая сила.

В современной физике различают четыре вида взаимодействий:

1. Гравитационное (взаимодействие, обусловленное всемирным тяготением)

2. Электромагнитное (осуществляется через электрические и магнитные поля)

3. Сильное или ядерное (обеспечивает связь частиц в атомном ядре)

4. Слабое (ответственное за многие процессы распада элементарных частиц)

В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными силами, а так же с упругими силами и силами трения. Два последних вида сил определяются характером взаимодействия между молекулами вещества. Силы взаимодействия между молекулами имеют электромагнитное происхождение. Следовательно, упругие силы и силы трения являются по своей природе электромагнитными. Гравитационный и электромагнитные силы являются фундаментальными – их нельзя свести к другим, более простым, силам. Законы фундаментальных сил чрезвычайно просты. Гравитационная сила определяется формулой , сила, с которой взаимодействуют два покоящихся точечных заряда и , дается законом Кулона . Если заряды движутся, то кроме кулоновской формулы, на них так же распространяются магнитные силы. Магнитная сила, действующая на точечный заряд q, движущийся со скоростью в магнитном поле с индукцией B, определяется формулой . Выше перечисленные формулы являются точными.

Упругие силы. Всякое реальное тело под действием приложенных к нему сил деформируется, т.е. изменяет свои размеры и форму. Если после прекращения действия сил тело принимает первоначальные размеры и форму, деформация называется упругой. Упругие деформации наблюдаются в том случае, если сила, обусловившая деформацию, не превосходит некоторый, определенный для каждого конкретного тела предел (предел упругости) Рассмотрим упругие деформации. В деформированном теле возникают упругие силы, уравновешивающие внешние силы. Под действием внешней силы – F _вн пружина получает удлинение x, в результате в ней возникает упругая сила – F _упр, уравновешивающая F _вн.

Упругие силы возникают во всей деформированной пружине. Любая часть пружины действует на другую часть с силой упругости F _упр.

Удлинение пружины пропорционально внешней силе и определяется законом Гука:

k – жесткость пружины. Видно, что чем больше k, тем меньшее удлинение получит пружина под действием данной силы. Так как упругая сила отличается от внешней только знаком, т.е. F _упр = – F _вн, закон Гука можно записать в виде

,
F _упр = – kx.

Потенциальная энергия упругой пружины равна работе, совершенной над пружиной.
Так как сила непостоянна, элементарная работа d A = F d x, или

d A = – kx d x.

Тогда полная работа, которая совершена пружиной, равна: