Основные понятия динамики. Сила

До этого мы с вами занимались кинематикой; в рамках кинематики пытаются понять, как описать движение того или иного тела. Вопросами о том, как возникает движение тела, занимается динамика.

Опр.: Динамика — раздел механики, который изучает причины возникновения или изменения характера движения.

Давайте познакомимся с основными понятиями динамики.

Опр.: Сила — количественная мера воздействия на данное тело со стороны других тел или полей.

Если на тело действует сила \(\overrightarrow{F}\), то с точки зрения математического аппарата классической механики мы должны провести от данного тела вектор в направлении действия силы. Точка, от которой будет откладываться сила, называется точкой приложения силы. Что касается единиц измерения, то в международной системе СИ для силы используются Ньютоны (в системе СГС - дины).

Рис. 1: Сила, действующая на тело.

Согласно современным представлениям, любое взаимодействие между телами осуществляется через так называемые переносчики взаимодействия. Такая концепция называется концепцией близкодействия. Для того, чтобы одно тело провзаимодействовало с другим, необходимо чтобы оно испустило материальный источник взаимодействия, а другое тело его поглотило (или наоборот). Такие переносчики взаимодействия движутся с конечными скоростями.

Противоположное данной концепции учение является устаревшим; это концепция дальнодействия, согласно которой взаимодействие между телами осуществляется мгновенным образом через пустоту без каких-либо переносчиков. Именно такой точки зрения и придерживаются в классической механике.

Также, на первый взгляд может показаться, что в физике присутствует большое количество сил. Мы помним про силу упругости, про силу реакции опоры, силу тяжести, силу трения и т.д. Однако все эти силы могут быть приписаны к одному из типов так называемых фундаментальных взаимодействий.

Существует 4 типа фундаментальных взаимодействий:

• гравитационное;
• слабое;
• электромагнитное;
• сильное.

В рамках классической механики имеют дело с силами, которые имеют только гравитационную или электромагнитную природу. Сильные и слабые взаимодействия начинают фигурировать только когда мы заходим в масштабы атомного ядра.

Гравитационное взаимодействие является наименее изученным из типов фундаментальных взаимодействий. Считается (хотя не доказано) что переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон — гипотетическая частица, которая (как предполагается) движется со скоростью света. Современная теория гравитации описывается общей теорией относительности Эйнштейна, которая была им сформулирована в 1915 году. Эта теория не квантовая; до сих пор гравитацию не удалось нормально проквантовать. Поэтому мы довольствуемся достаточно эффективной, но не квантовой общей теорией относительности.

В рамках же классической механики, для того чтобы описать гравитационное взаимодействие используют закон всемирного тяготения, который был сформулирован Исааком Ньютоном в 1666 году.

Закон всемирного тяготения: материальные точки притягиваются друг к другу с силами, модули которых пропорциональны произведению их масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:\[\overrightarrow{F}=G \frac{M_1M_2}{r^2} \frac{\vec{r}}{r},\]

где \(G=6.673 \cdot10^{-11}\ Н \cdot м^2/кг^2\) — гравитационная постоянная.

Электромагнитное взаимодействие в рамках классической физики описывается законом Кулона, который имеет абсолютно такую же структуру, как закон всемирного тяготения. Закон Кулона был сформулирован Шарлем Кулоном в 1785 году.

Закон Кулона: заряды взаимодействуют друг с другом с силой, модуль которой пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними:\[\overrightarrow{F}=k \frac{q_1q_2}{r^2} \frac{\vec{r}}{r}.\]В случае гравитационного взаимодействия тел, имеющие массу, всегда притягиваются; в случае зарядов если оба заряда имеют одинаковый знак, то будет наблюдаться отталкивание.

С точки зрения современной физики электромагнитное взаимодействие описывается квантовой электродинамикой, самой эффективной и доказанной квантовой теорией поля. Основоположниками квантовой электродинамики можно назвать таких учёных как Фейнман, Швингер, Томонага. Данная теория была сформулирована в середине XX века. 

Однако, чтобы описать эти типы взаимодействия в рамках классической физики, нам достаточно прибегнуть либо к закону Кулона, либо к закону всемирного тяготения Ньютона. 

Все силы в рамках классической механики имеют либо электромагнитную, либо гравитационную природу.