Виды взаимодействия тел в физике

Взаимодействие тел в физике

Галилео Галилей еще в XVII веке отмечал, что если на тело действует другое тело, то оно находится или в покое, или прямолинейно и равномерно движется. Отсюда следует, что при отсутствии воздействия, скорость этого тела ни по значению, ни по направлению не меняется.

Это же утверждал Исаак Ньютон: тело тогда сохранит свою скорость движения, когда на него не действуют другие тела.

Данные утверждения характеризуют взаимодействие тел. В результате наблюдается механическое движение, такие явления, как инерция, изменение плотности вещества и др.

Согласно определению, взаимодействие тел – состояние, когда оба тела либо их поля воздействуют друг на друга и изменяют свое состояние. Так, если человек прикладывает к предмету определенную силу, сдвигая его с места, то не только он воздействует.

В XIX веке считалось, что существует механическое, электромагнитное и тепловое виды взаимодействия. Сегодня, опираясь на знания структуры материи, говорят, что термины «механическое» и «тепловое» относятся к электромагнитному виду, поскольку составные частицы вещества обладают магнитными и электрическими характеристиками. Они могут притягиваться либо отталкиваться.

Взаимодействие тел, видимое невооруженным глазом, сводится к изменению их положения в пространстве. Рассматривая такое явление с позиции их внутреннего строения, отмечают, что воздействие происходит посредством мелких частиц. В их роли выступают:

• фотоны (имеется в виду электромагнитное воздействие);
• гравитоны (для гравитационных процессов) и т.д.

Учитывая справедливость утверждения, что причиной механических явлений является взаимодействие тел, результат может наблюдаться в виде:

• деформации тел;
• изменения характеристик движения.

Чаще изменения происходят в обоих участвующих в процессе телах. Однако не исключены случаи, когда заметно одно следствие. Например, если есть деформация, скорость может оставаться неизменной. В таком случае говорят о равномерном прямолинейном движении либо состоянии покоя. И наоборот: меняя скорость движения, тело может оставаться в прежней форме.

Ситуаций, когда происходит взаимодействие тел, в природе бесчисленное множество. Ударив ногой по футбольному мячу, школьник в этот же момент ощущает действие на свою ногу. При ударе по бильярдному шару, оба столкнувшихся шара раскатываются в разные стороны. Стоя в лодке и подтягивая к себе за веревку вторую лодку (или плот), лодка под ногами двигается в направлении, противоположном приложению силы.

Аналогичные примеры можно привести при использовании магнита. Расположив на ровной поверхности два сильно намагниченных тела, имеющие разные полюса, становится заметным их движение друг к другу.

Взаимное воздействие имеет место не только при непосредственном контакте. Примером действия на расстоянии является сила гравитации для межпланетных и межзвездных тел.

Воспроизвести процессы взаимодействия тел можно и в экспериментальных условиях:

1. Зацепить крючками друг за друга два динамометра и растянуть их в стороны. Показания будут идентичны, следовательно, силы, действующие на каждый прибор, равны по своему значению.

2. Два человека стоят по тележках, расположенных на рельсах и тянут за концы веревки, протянутой между ними. Величин сил, с которыми они тянут, различны. Однако тележки приходят в движение в один момент. Направления их движения противоположны.

Если провести необходимые замеры и просчитать математически физические величины (сила, ускорение, масса), то можно убедиться, что ускорение тележки будет обратно пропорционально ее массе. Из данного опыта вытекает, что каждая из сил равна своей «паре», только противоположна направлена.

Изменение состояния тел в пространстве

Описывая особенности воздействия тел друг на друга при взаимном процессе, отмечают их количественные и качественные характеристики. К примеру, прикладывая силу для сжимания пружины, стоит ожидать увеличения взаимодействия ее окружностей. С другой стороны, между двумя одноименно заряженными частицами процесс отталкивания тем интенсивнее, тем больше их заряд.

Для аналогичных ситуаций единицей измерения величин является сила. Она – фактор, способствующий началу движения либо его ускорению. Сила – определенно направленная физическая величина (в научной терминологии – векторная), для которой обязательно наличие:

• модуля;
• точки приложения;
• направления.

Изучению особенностей возникновения ускорения посвящен второй закон Ньютона:

Под действием определенной силы тело получает ускорение, находящееся в прямой пропорциональной зависимости от этой силы и обратно пропорциональной его собственной массе и имеющемуся ускорению.

Любые тела, воздействующие друг на друга прямым образом либо опосредованно, испытывают изменения. Так, если электровоз тянет вагоны, увеличивая их скорость, его собственная скорость (без дополнительного поступления энергии) уменьшается ровно на столько же (как результат обратного действия вагонов).

Похожая ситуация наблюдается в масштабах Вселенной. Солнце посредством сил гравитации удерживает Землю на конкретной орбите. В то же время Земля также воздействует на Солнце, формируя его траекторию.

Одно и то же тело, в зависимости от рассматриваемой системы отсчета, может совершать механическое движение различного характера. Так, космонавт внутри спутника Земли неподвижен относительно предметов, находящихся здесь же. Однако относительно планеты Земля он движется по орбите спутника (неравномерно и не по прямой).

Какие виды встречаются, особенности

Основываясь на этом, ученые выделяют три вида взаимодействия:

• сильные;
• электрослабые;
• гравитационные.

Специфика каждого строго индивидуальна. В основе различия лежат сила и радиус. Так, для гравитационного процесса характерны большие расстояния и существенные массы тел (например, планеты, звезды, межпланетные расстояния).

Два других вида отличаются своим коротким действием. Сильное характерно для взаимодействия, происходящего на ядерном уровне (как вариант – молекулярный). К этой же категории относится макроуровень – процесс притягивания тел, имеющих заряд.

Электрослабое обусловлено наличием ядра и электронов, а также атомов и молекул, входящих в состав химических веществ. Особо сильное взаимодействие обуславливается адронами – частицами, входящими в состав протонов и нейтронов.

Гравитационное взаимодействие

Частицы, обладающие электрическим зарядом, взаимодействуют электромагнитным образом. Происходит это посредством электромагнитного поля.

Такие процессы лежат в основе строения атомов и молекул, объясняют особенности при распаде частиц и ядер, ионизации атомов и т.д.

Функция переноса электромагнитной энергии возложена на фотон, масса которого равна нулю. Специальной единицей измерения электромагнитного взаимодействия является постоянная тонкой структуры, которая рассчитывается по специальной формуле.

Когда на фотон воздействует высокая энергия, возникает реакция фоторождения частиц с расщеплением ядер внутри атомов. Поскольку радиус взаимодействия не имеет ограничения, электромагнитные процессы могут происходить на макроуровне. Этим объясняется действие силы упругости в твердом веществе, силы вязкости или поверхностного натяжения – для жидкой фазы.

Наиболее широко применяются электромагнитные взаимодействия в технических областях: электронике, радиотехнике, электротехнике.

Что понимается под сильным и слабым взаимодействием тел

Каждое из описанных выше взаимодействий происходит при участии частиц, которые по сути являются переносчиками. В частности, фотоны – переносчики электромагнитного свойства, глюоны – сильного, векторные бозоны – слабого, а гравитоны – гравитационного взаимодействия.

На рисунке представлена модель элементарных частиц в стандартном формате.

Сегодня доказано, что взаимодействия электромагнитного и слабого характера – один и тот же процесс, который в 1967 году был назван электрослабым (ученые С.Вайнберг и А. Салам).

Основываясь на этом, ученые определяют три вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, сильное и электрослабое.

Характеризуя сильное и слабое взаимодействия, ученые не говорят об абсолютной силе либо слабости. Имеется ввиду, возможно ли, например, при взаимодействии расколоть предмет либо не упустить тело. Научная трактовка исходит из понимания квантовой теории поля, а также тех математических выражений, которые используются при изучении элементарных частиц и сил.

В процессах слабого взаимодействия участвуют нейтрино, что обуславливает высокую проникающую способность и возможность обмена энергией, массой, зарядом, а также квантовыми числами. Оно ответственно за бета-распад атомных ядер, а также распады элементарных частиц незначительной интенсивности. В то же время оно сильнее, чем гравитационное.

Характеризуется коротким действием. Его можно заметить на расстояниях, величина которых в тысячу раз меньше, чем величина протона.

Интенсивность такого взаимодействия ниже, чем, например, при электромагнетизме.  Если взаимодействующие частицы имеют энергию в пределах 1 ГэВ, скорость протекания процессов при взаимодействии на 11 порядков ниже, чем в электромагнитной природе.

Следовательно, физика элементарных частиц характеризуется очень медленными процессами (физический термин – слабые).

Еще одним показателем сравнения сильного и слабого взаимодействия является длина свободного пробега частиц внутри вещества. Если для остановки движущегося адрона путем сильного взаимодействия можно использовать железный лист толщиной несколько см, то для нейтрино не создаст препятствия железо толщиной несколько световых лет.

Есть еще одно характерное свойство слабого взаимодействия – очень незначительный радиус действия. Величина составляет 0,000000000002 микрон. Данная величина в тысячу раз меньше, чем величина ядра, поэтому слабое взаимодействие более интенсивно, чем гравитационное.

Описываемый процесс важен для осуществления ядерных реакций во внутрисолнечной среде. Следовательно, благодаря им, мы получаем солнечное тепло.

Насколько интенсивен слабый процесс взаимодействия, зависит от величины энергии у частиц, вступающих в него. Такая же закономерность характерна для сильного взаимодействия.

Сильное взаимодействие было описано в 1911 году. Его открытием физика обязана Э.Резерфорду, который сделал это в одно время с доказательствами существования атомного ядра. При таких процессах «работают» глюоны. Протон и нейтрон выступают в роли нуклонов, теряя заряды.

Сильное взаимодействие наблюдается, если масштабы структуры достигают размеров атомного ядра или еще меньше. Оно ответственно за связи кварков в адронах, а также притяжение нуклонов между собой. Именно благодаря таким процессам, образовываются атомные ядра.Они, являясь очень устойчивыми структурами, подтверждают важное значение такого вида взаимодействия.