взаємодія тел

Досвід показує, що при зближенні тіл (або систем тіл) характер їх поведінки змінюється. Оскільки ці зміни носять взаємний характер, кажуть, що тіла взаємодіють один з одним. При розведенні тіл на дуже великі відстані (на нескінченність) всі відомі на сьогоднішній день взаємодії зникають.

Галлілей першим дав правильну відповідь на питання, яке рух характерно для вільних (тобто не взаємодіючих тіл). Всупереч існуючій тоді думку, що вільні тіла "прагнуть" до стану спокою (

), Він стверджував, що при відсутності взаємодії тіла перебувають в стані рівномірного руху (

), Що включає спокій як окремий випадок.

Інерціальні системи відліку.

В рамках формального математичного підходу, реалізованого в кінематиці, затвердження Галілея виглядає безглуздим, оскільки рівномірний в одній системі відліку рух може виявитися прискореним в іншій, яка "нічим не гірше" вихідної. Наявність взаємодії дозволяє виділити особливий клас систем відліку, в яких вільні тіла рухаються без прискорення (в цих системах більшість законів природи мають найбільш просту форму). Такі системи називаються інерційних.

Всі інерціальні системи еквівалентні один одному, в будь-який з них закони механіки проявляються однаково. Це властивість було також відзначено Галілеєм у сформульованому їм принципі відносності: ніяким механічним досвідом у замкнутої (тобто не сполученої з зовнішнім світом) системі відліку неможливо встановити спочиває вона або рівномірно рухається. Будь-яка система відліку, рівномірно рухається щодо інерціальній теж є інерціальній.

Між інерційних і неінерційній системами відліку існує принципова відмінність: що знаходиться в замкнутій системі спостерігач здатний встановити факт руху з прискоренням останніх, «не виглядав назовні" (напр. При розгоні літака пасажири відчувають, що їх "вдавлює" у крісла). Надалі буде показано, що в неінерційних системах геометрія простору перестає бути евклідової.

Закони Ньютона як основа класичної механіки.

Сформульовані І. Ньютоном три закони руху в принципі дозволяють вирішити основну задачу механіки, тобто по відомим початкового стану і швидкості тіла визначити його положення і швидкість в довільний момент часу.

Перший закон Ньютона постулює існування інерційних систем відліку.

Другий закон Ньютона стверджує, що в інерційних системах прискорення тіла пропорційно прикладеною силі, фізичної величиною, що є кількісною мірою взаємодії. Величину сили, що характеризує взаємодію тіл, можна визначити, наприклад, по деформації пружного тіла, додатково введеного в систему так, що взаємодія з ним повністю компенсує вихідне. Коефіцієнт пропорційності між силою і прискоренням називають масою тіла:

Під дією однакових сил тіла з більшою масою набувають менші прискорення. Масивні тіла при взаємодії у меншій мірі змінюють свої швидкості, "прагнучи зберегти природний рух за інерцією". Іноді кажуть, що маса є мірою інертності тіл (рис. 4_1).

До класичних властивостям маси слід віднести 1) її позитивність (тіла набувають прискорення в напрямку прикладених сил), 2) адитивність (маса тіла дорівнює сумі мас його частин), 3) незалежність маси від характеру руху (напр. Від швидкості).

Третій закон стверджує, що взаємодії обидва об'єкти зазнають дії сил, причому ці сили рівні за величиною і протилежно спрямовані.

Типи фундаментальних взаємодій. Спроби класифікації взаємодій призвели до ідеї виділення мінімального набору фундаментальних взаємодій, за допомогою яких можна пояснити всі явища. У міру розвитку природознавства цей набір змінювався. В ході експериментальних досліджень періодично виявлялися нові явища природи, що не укладаються в прийнятий фундаментальний набір, що призводило до його розширення (наприклад, відкриття структури ядра вимогу введення ядерних сил). Теоретичні ж осмислення, вцілому що прагне до єдиного, максимально економного опису спостережуваного різноманіття, неодноразово привілля до "великим об'єднанням" зовні абсолютно несхожих явищ природи (ньютон зрозумів, що падіння яблука і рух планет навколо Сонця є результатами прояви гравітаційних взаємодій, Ейнштейн встановив єдину природу електричних і магнітних взаємодій, Бутлеров спростував твердження про різну природу органічних і неорганічних речовин).

В даний час прийнято набір з чотирьох типів фундаментальних взаємодій: гравітаційні, електромагнітні, сильне і слабкі ядерні. Всі інші, відомі на сьогоднішній день, можуть бути зведені до суперпозиції перерахованих.

Гравітаційні взаємодії обумовлені наявністю у тел маси і є найслабшими з фундаментального набору. Вони домінують на відстанях космічних масштабів (в мега-світі).

Електромагнітні взаємодії обумовлені специфічною властивістю ряду елементарних частинок, званим електричним зарядом. Відіграють домінуючу роль в макро світі і мікросвіті аж на відстанях, що перевершують характерні розміри атомних ядер.

Ядерні взаємодії відіграють домінуючу роль в ядерних процесах і проявляються лише на відстанях, порівнянних з розміром ядра, де класичний опис свідомо не застосовується.

В даний час стали дуже популярні міркування про біополе, за допомогою якого "пояснюється" ряд не дуже надійно встановлених на експерименті явищ природи, пов'язаних з біологічними об'єктами. Серйозне ставлення до поняття біополя залежить від того, який конкретний зміст. Вкладається в цей термін. Якщо поняття біополя використовується для опису взаємодій за участю біологічних об'єктів, що зводяться до чотирьох фундаментальних, такий підхід не викликає принципових заперечень, хоча введення нового поняття для опису "старих" явищ суперечить загальноприйнятій в природознавстві тенденції до мінімізації теоретичного опису. Якщо ж під біополем розуміється новий тип фундаментальних взаємодій, що виявляється на макроскопічному рівні (можливість існування якого апріорно, очевидно, заперечувати безглуздо), то для настільки далекосяжних висновків необхідні дуже серйозні теоретичні і експериментальні обгрунтування, зроблені на мові і методами сучасного природознавства, які до теперішнього часу представлені не були.

Закони Ньютона і основна задача механіки.

Для вирішення основного завдання механіки (визначення положення тіла в довільний момент часу за відомими початкового стану і швидкості) досить знайти прискорення тіла як функцію часу a (t). Цю задачу вирішують закони Ньютона (1) за умови відомих сил. У загальному випадку сили можуть залежати від часу, положення і швидкості тіла:

тобто для знаходження прискорення тіла необхідно знати його положення і швидкість. Описана ситуація в математиці носить назву диференціального рівняння другого порядку:

,

В математиці показується, що завдання (3-4) при наявності двох початкових умов (положення і швидкість в початковий момент часу) завжди має рішення і притому єдине. Т.ч. основне завдання механіки в принципі завжди має рішення, однак знайти його часто буває дуже важко.