Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Биология»

Типы взаимодействия и различные виды сил Способность взаимодействовать является важнейшим свойством тел. В сущности, вся физика есть не что иное, как изучение различных взаимодействий. Все бесконечное многообразие физических процессов, происходящих в нашем мире, можно объяснить существованием в природе всего лишь четырех типов фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, ядерного (или сильного) и слабого. Многообразие различных видов взаимодействия, известных науке в данное время, сводится к четырем общим классам обменного взаимодействия, каждое из которых связано с определенным физическим полем (табл. 1). Таблица 1 Типы взаимодействий и их характеристики Взаимодействие Относительная интенсивность Радиус взаимодействия Ядерное, или сильное осуществляющее связь нуклонов в ядрах атомов посредством пионов и каонов (ядерные — мезонные и нуклонные поля) Электромагнитное, осуществляющее связь между электрически заряженными частицами посредством фотонов (электромагнитные и электронно-позитронные поля) Уменьшается как 1/R2 Продолжение таблицы 1 Слабое, или «распадное», осуществляющее связь между тяжелыми частицами посредством легких частиц — электронов и нейтрино (нейтринные и лептонные поля) Оценочно: Гравитационное, осуществляющее связь между всеми материальными объектами (гравитационное поле) Уменьшается как 1/R2 На уровне макромира из 4-х типов взаимодействий проявляются только два: электромагнитное и гравитационное взаимодействия. На уровне микромира проявляются два других взаимодействия — так называемые сильное и слабое взаимодействия. Согласно современным представлениям, любое взаимодействие осуществляется посредством особого вида материи — поля. Гравитационное взаимодействие свойственно всем телам, начиная от элементарных частиц и кончая гигантскими звездными скоплениями. Проявляется оно во взаимном притяжении всех тел друг к другу. Падение тел на Землю, обращение планет вокруг Солнца — все это примеры проявления гравитации (всемирного тяготения). Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством особого вида материи, называемого гравитационным полем. Такое поле существует вокруг любого тела. При этом тело, создающее гравитационное поле, действует на любое другое тело так, что у того появляется ускорение, всегда направленное к источнику поля. Особенностью гравитационного поля является его всепроникающая способность. Выражение для силы гравитационного взаимодействия между телами массами имеет вид и носит название закона всемирного тяготения: сила гравитационного взаимодействия двух тел прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности называется гравитационной постоянной, ее численное значение равно и определяет силу, с которой взаимодействуют два тела массами по 1 килограмму каждое, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга. Малое значение приводит к тому, что гравитационное взаимодействие между обычными телами, не говоря уже об атомах, является очень слабым. Два человека массами по на расстоянии друг от друга притягиваются с силой, равной всего лишь . Однако по мере увеличения масс тел, роль гравитационного взаимодействия возрастает. Например, сила взаимного притяжения Земли и Луны равна , поэтому движение планет полностью определяется гравитационными силами. Электромагнитное взаимодействие осуществляется между телами, в состав которых входят электрически заряженные частицы. В отличие от гравитационного взаимодействия оно может привести как к притяжению, так и отталкиванию тел (одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные — притягиваются). Электромагнитное взаимодействие между электронами и атомными ядрами обеспечивает существование атомов, атомы связывает в молекулы, а молекулы, в свою очередь, в различные тела. Электромагнитное взаимодействие играет основную роль во всех физико-химических и биологических процессах. Мерой действия одного тела на другое (посредством соответствующего поля) является сила. Чем больше эта величина, тем больше ускорение данного тела. Сила является величиной векторной: от ее направления зависит и направление приобретаемого телом ускорения. Сила не единственная величина, от которой может зависеть ускорение. У каждого тела есть не зависящая от его состояния характеристика, влияющая на приобретаемое телом ускорение. На направление ускорения эта характеристика не влияет, поэтому она является не векторной величиной, а скалярной и называют ее массой . Поскольку масса определяется через ускорение, а ускорение инвариантно относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой, то этим же свойством инвариантности обладает и масса. Напомним, что инерциальной называется система отсчета, которая покоится или движется с постоянной скоростью. Отсюда следует и другое важное свойство массы: масса тела не зависит от его скорости. Если бы это было не так, то при переходе от одной системы отсчета к другой масса тела изменяла бы свое значение (ведь скорость одного и того же тела в разных системах отсчета различна!), но это противоречит свойству инвариантности. Для движений рассматриваемых в инерциальных системах отсчета справедливы законы Ньютона: Любое тело, до тех пор пока оно остается изолированным, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Если на тело с массой действуют окружающие тела, то оно приобретает такое ускорение , что произведение массы тела на ее ускорение будет равно сумме всех сил, с которыми на нее действуют окружающие тела по отдельности: . Если взаимодействуют два тела, то силы, с которыми они действуют друг на друга, всегда равны по модулю и противоположны по направлению:. Справедливость законов Ньютона следует из полученных из них следствий, проверяемых как экспериментами, так и практикой. Законы Ньютона позволяют по начальному состоянию системы определить ее состояния во все последующие моменты времени и тем самым, реализуя принцип причинности, решить основную задачу механики. Применимость законов классической механики ограничена областью явлений, соответствующих движениям макроскопических тел со скоростями значительно меньшими скорости света. В зависимости от принадлежности к тому или иному фундаментальному взаимодействию все силы можно разделить на две группы: силы, имеющие электромагнитную природу, и силы, имеющие гравитационную природу. Из сил, относящихся к первой группе, можно назвать силу упругости, возникающую при деформации, пропорциональную удлинению этого тела, и определяемую по закону Гука — , силу трения, определяемую по закону Кулона — Амонтона, в соответствии с которым максимальная сила трения покоя пропорциональна силе реакции опоры , где — коэффициент трения. Эти силы представляют собой макроскопические проявления электромагнитного взаимодействия, создаваемые заряженными частицами, входящими в состав молекул тел. Когда два тела приходят в соприкосновение, частицы их поверхностей сближаются и попадают в область действия отдельных микрочастиц и приводят к взаимодействию самих соприкасающихся тел — тому взаимодействию, которое характеризуется силами упругости и трения. Примером силы из второй группы является сила тяжести, т.е. сила, с которой Земля притягивает к себе тела . Вследствие притяжения тело действует с некоторой силой на подвес или опору, на которой оно находится. Эту силу, приложенную не к телу, а к опоре или подвесу, называют весом тела . Вес тела равен силе тяжести только тогда, когда опора или подвес находятся в покое относительно Земли или в состоянии прямолинейного равномерного движения. Если же подвес или опора движутся с ускорением, то вес тела может быть как больше, , так и меньше, , силы тяжести. При свободном падении () вес тела становится равным нулю, оно находится в состоянии невесомости. Для биологических объектов невесомость — необычное состояние. В условиях невесомости действуют те же законы Ньютона, но в силу необычности условий человек должен «привыкать» к движениям в невесомости. Резкие движения частей тела, отбрасывание каких-либо предметов могут существенно изменить движение тела человека. Это учитывается космонавтами во время космического полета. Отсутствие действия опоры при невесомости приводит к снижению работоспособности, уменьшению мышечной массы, деминерализации костной ткани. Поэтому космонавтам в условиях невесомости приходится проводить специальные тренировки или носить особые костюмы, которые позволяют догружать мышцы. Взаимодействие тел является причиной их ускорений, а ускорение — следствием их взаимодействия. Знание о причинах возникновения ускоренного или равномерного движения позволяет нам решать основную задачу механики — определять координаты, перемещения, скорости и ускорения равномерно или неравномерно движущихся тел в любой момент времени. Таким образом, если мы установим вид взаимодействия и зависимость сил от параметров состояния системы, то, используя известные из школьного курса физики соответствующие уравнения (табл. 2), можно будет решить основную задачу механики для любых тел. Таблица 2 Уравнения движения Величина Равномерное движение Равноускоренное движение Скорость Ускорение Перемещение Координата Найти координату и скорость тела в любой момент времени возможно и в том случае, когда силы, действующие на тело, изменяются или они неизвестны. В этом случае для решения основной задачи механики используют законы сохранения — импульса и энергии. Задания для самостоятельной работы Ответьте на вопросы и решите задачи. На какую теорию опирается современная космология? Что собой представляет стандартная модель Вселенной? Назовите основные типы физических взаимодействий. Чем отличается поле тяготения от других физических полей? Сформулируйте законы Ньютона. Какие величины, характеризующие движение, являются векторными, а какие скалярными? Самое быстрое животное — гепард — развивает скорость за время равное . Составьте задачу, в которой нужно было бы найти перемещение и ускорение, используя для этого уравнения, представленные в таблице 2. Рассчитайте ускорение ракеты, если перегрузка, которую испытывает космонавт, равна . На какой высоте над поверхностью Земли сила притяжения к Земле будет в два раза меньше, чем на ее поверхности?

Похожие:

	Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» Пища как экологический фактор. Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» для студентов, обучающихся по специальности...		Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный... Отчизноведение. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности социально-культурный сервис и туризщм – Воронеж: вгпу,...
	Учебное пособие Москва 2014 министерство образования и науки российской федерации Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей исторических факультетов, обучающихся по специальности «История», а...		Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся... Г46 Гигиена труда : учебное пособие / авт сост. Л. В. Козачук. — Балашов : Изд-во «Николаев», 2005. — 60 с
	Учебное пособие автор: панкин сергей фёдорович объем 38,54 А. Л.... Методическое сопровождение к презентации урока для учащихся 8 класса по теме “зож основа счастливого человека”		Учебное пособие А информатики и икт в школьном образовании, а также методические примеры, образцы выполнения лабораторных работ в курсе Теории и...
	Психология Учебное пособие Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения и обучающихся в сокращенные сроки		Учебное пособие для студентов специальности 271200 «Технология продуктов... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей, может быть полезно практическим работникам
	Особенности наблюдения за д Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Педиатрия». …		Учебно-методическое пособие самара 2005 удк 657 Рецензенты Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения Международного института рынка, обучающихся по специальности «Финансы...
	Учебное пособие по дисциплине «Теория государства и права» Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по очной, заочной формам, в том числе с использованием дистанционных технологий...		Гогунов Е. Н., Мартьянов Б. И. Г 58 Психология физического воспитания... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физическая культура и спорт»
	Учебное пособие. / Сост Учебное пособие предназначено для студентов уровня Intermediate и Upper-Intermediate, обучающихся по специальности связи с общественностью,...		Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной формы обучения для проведения теоретических и практических занятий...
	Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное... Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов заочного отделения биолого-почвенного факультета,...		Учебное пособие Допущено Научно-методическим советом по изучению... Учебное пособие предназначено для обучения по специальности «теология» ивключает план, информационный блок, вопросы для самопроверки,...