სიტყვა „ძალაუფლება“იმდენად ყოვლისმომცველია, რომ მკაფიო კონცეფციის მიცემა თითქმის შეუძლებელი ამოცანაა. კუნთების სიძლიერედან გონების სიძლიერემდე მრავალფეროვნება არ მოიცავს მასში ჩადებული ცნებების სრულ სპექტრს. ძალას, როგორც ფიზიკურ რაოდენობას, აქვს კარგად განსაზღვრული მნიშვნელობა და განმარტება. ძალის ფორმულა განსაზღვრავს მათემატიკურ მოდელს: ძალის დამოკიდებულებას მთავარ პარამეტრებზე.
ძალის კვლევის ისტორია მოიცავს პარამეტრებზე დამოკიდებულების განმარტებას და დამოკიდებულების ექსპერიმენტულ დადასტურებას.
ძალა ფიზიკაში
ძალა არის სხეულების ურთიერთქმედების საზომი. სხეულების ურთიერთმოქმედება ერთმანეთზე სრულად აღწერს პროცესებს, რომლებიც დაკავშირებულია სხეულების სიჩქარის ცვლილებასთან ან დეფორმაციასთან.
როგორც ფიზიკურ სიდიდეს, ძალას აქვს საზომი ერთეული (SI სისტემაში - ნიუტონი) და მისი საზომი მოწყობილობა - დინამომეტრი. ძალის მრიცხველის მოქმედების პრინციპი ეფუძნება სხეულზე მოქმედი ძალის დინამომეტრის ზამბარის ძალის შედარებას.
1 ნიუტონის ძალა მიიღება იმ ძალად, რომლის დროსაც 1 კგ მასის სხეული 1 წამში ცვლის სიჩქარეს 1 მ-ით.
ძალა, როგორც ვექტორული რაოდენობა განისაზღვრება:
- მოქმედების მიმართულება;
- აპლიკაციის წერტილი;
- მოდული, აბსოლუტურიზომა.
ურთიერთქმედების აღწერისას, აუცილებლად მიუთითეთ ეს პარამეტრები.
ბუნებრივი ურთიერთქმედების სახეები: გრავიტაციული, ელექტრომაგნიტური, ძლიერი, სუსტი. გრავიტაციული ძალები (უნივერსალური მიზიდულობის ძალა თავისი მრავალფეროვნებით - მიზიდულობის ძალა) არსებობს ნებისმიერი სხეულის მასის მიმდებარე გრავიტაციული ველების გავლენის გამო. გრავიტაციული ველების შესწავლა ამ დრომდე არ დასრულებულა. ველის წყაროს პოვნა ჯერ ვერ ხერხდება.
ძალების უფრო დიდი დიაპაზონი წარმოიქმნება მატერიის შემადგენელი ატომების ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებიდან.
წნევის ძალა
როდესაც სხეული ურთიერთქმედებს დედამიწასთან, ის ზეწოლას ახდენს ზედაპირზე. წნევის ძალა, რომლის ფორმულაა: P=მგ, განისაზღვრება სხეულის მასით (მ). გრავიტაციულ აჩქარებას (გ) აქვს სხვადასხვა მნიშვნელობები დედამიწის სხვადასხვა განედებზე.
ვერტიკალური წნევის ძალა ტოლია აბსოლუტური სიდიდით და საპირისპირო მიმართულებით დრეკადობის ძალის, რომელიც წარმოიქმნება საყრდენში. ძალის ფორმულა იცვლება სხეულის მოძრაობის მიხედვით.
სხეულის წონის ცვლილება
სხეულის მოქმედებას საყრდენზე დედამიწასთან ურთიერთქმედების გამო ხშირად სხეულის წონად მოიხსენიება. საინტერესოა, რომ სხეულის წონის რაოდენობა დამოკიდებულია მოძრაობის აჩქარებაზე ვერტიკალური მიმართულებით. იმ შემთხვევაში, როდესაც აჩქარების მიმართულება ეწინააღმდეგება თავისუფალი ვარდნის აჩქარებას, შეინიშნება წონის მატება. თუ სხეულის აჩქარება ემთხვევა თავისუფალი ვარდნის მიმართულებას, მაშინ სხეულის წონა იკლებს. მაგალითად, აღმავალ ლიფტში ყოფნისას, ასვლის დასაწყისში ადამიანი გარკვეული პერიოდის განმავლობაში გრძნობს წონის მატებას. დაამტკიცეთ, რომ მისი მასაიცვლება, არა. ამავდროულად გამოვყოფთ "სხეულის წონის" და მისი "მასის" ცნებებს..
ელასტიური ძალა
სხეულის ფორმის შეცვლისას (მისი დეფორმაცია), ჩნდება ძალა, რომელიც აბრუნებს სხეულს პირვანდელ ფორმას. ამ ძალას მიენიჭა სახელი "ელასტიური ძალა". ის წარმოიქმნება სხეულის შემადგენელი ნაწილაკების ელექტრული ურთიერთქმედების შედეგად.
მოდით განვიხილოთ უმარტივესი დეფორმაცია: დაჭიმულობა და შეკუმშვა. დაძაბულობას თან ახლავს სხეულების წრფივი ზომების ზრდა, ხოლო შეკუმშვას – მათი შემცირება. ამ პროცესების დამახასიათებელ მნიშვნელობას სხეულის გახანგრძლივება ეწოდება. ავღნიშნოთ „x“-ით. დრეკადობის ძალის ფორმულა პირდაპირ კავშირშია დრეკადობასთან. თითოეულ სხეულს, რომელიც ექვემდებარება დეფორმაციას, აქვს საკუთარი გეომეტრიული და ფიზიკური პარამეტრები. დეფორმაციის მიმართ დრეკადობის წინააღმდეგობის დამოკიდებულება სხეულის თვისებებზე და მასალაზე, საიდანაც იგი მზადდება, განისაზღვრება დრეკადობის კოეფიციენტით, დავარქვათ სიმტკიცე (k)..
ელასტიური ურთიერთქმედების მათემატიკური მოდელი აღწერილია ჰუკის კანონით.
სხეულის დეფორმაციის შედეგად წარმოქმნილი ძალა მიმართულია სხეულის ცალკეული ნაწილების გადაადგილების მიმართულების საწინააღმდეგოდ, პირდაპირპროპორციულია მის გახანგრძლივებასთან:
- Fy=-kx (ვექტორული აღნიშვნა).
"-" ნიშანი მიუთითებს დეფორმაციისა და ძალის საპირისპირო მიმართულებას.
არ არსებობს უარყოფითი ნიშანი სკალარული ფორმით. დრეკადობის ძალა, რომლის ფორმულას აქვს შემდეგი ფორმა Fy=kx, გამოიყენება მხოლოდ დრეკადობის დეფორმაციებისთვის.
მაგნიტური ველის ურთიერთქმედება დენთან
გავლენამაგნიტური ველი პირდაპირ დენამდე აღწერილია ამპერის კანონით. ამ შემთხვევაში ძალას, რომლითაც მაგნიტური ველი მოქმედებს მასში მოთავსებულ დენის მატარებელ გამტარზე, ეწოდება ამპერის ძალა..
მაგნიტური ველის ურთიერთქმედება მოძრავ ელექტრულ მუხტთან იწვევს ძალის გამოვლინებას. ამპერის ძალა, რომლის ფორმულა არის F=IBlsinα, დამოკიდებულია ველის მაგნიტურ ინდუქციაზე (B), გამტარის აქტიური ნაწილის სიგრძეზე (l), დენის სიძლიერეზე (I) გამტარში და კუთხეზე. დენის მიმართულებასა და მაგნიტურ ინდუქციას შორის.
ბოლო დამოკიდებულების გამო, შეიძლება ითქვას, რომ მაგნიტური ველის ვექტორი შეიძლება შეიცვალოს გამტარის ბრუნვისას ან დენის მიმართულების ცვლილებისას. მარცხენა ხელის წესი საშუალებას გაძლევთ დააყენოთ მოქმედების მიმართულება. თუ მარცხენა ხელი ისეა განლაგებული, რომ მაგნიტური ინდუქციის ვექტორი შედის ხელისგულში, ოთხი თითი მიმართულია დირიჟორის დენის გასწვრივ, მაშინ ცერა თითი 90°-ით გვიჩვენებს მიმართულებას. მაგნიტური ველი.
ამ ეფექტის გამოყენება კაცობრიობის მიერ იქნა ნაპოვნი, მაგალითად, ელექტროძრავებში. როტორის ბრუნვა გამოწვეულია მაგნიტური ველით, რომელიც შექმნილია ძლიერი ელექტრომაგნიტის მიერ. ძალის ფორმულა საშუალებას გაძლევთ განსაჯოთ ძრავის სიმძლავრის შეცვლის შესაძლებლობა. დენის ან ველის სიძლიერის მატებასთან ერთად, ბრუნვის მომენტი იზრდება, რის შედეგადაც იზრდება ძრავის სიმძლავრე.
ნაწილაკების ტრაექტორიები
მაგნიტური ველის ურთიერთქმედება მუხტთან ფართოდ გამოიყენება მასის სპექტროგრაფებში ელემენტარული ნაწილაკების შესწავლისას.
ველის მოქმედება ამ შემთხვევაში იწვევს ძალის გამოჩენას, რომელსაც ეწოდებალორენცის ძალა. როდესაც გარკვეული სიჩქარით მოძრავი დამუხტული ნაწილაკი შედის მაგნიტურ ველში, ლორენცის ძალა, რომლის ფორმულას აქვს ფორმა F=vBqsinα, იწვევს ნაწილაკების მოძრაობას წრეში.
ამ მათემატიკურ მოდელში v არის ნაწილაკების სიჩქარის მოდული, რომლის ელექტრული მუხტი არის q, B არის ველის მაგნიტური ინდუქცია, α არის კუთხე სიჩქარისა და მაგნიტური ინდუქციის მიმართულებებს შორის.
ნაწილაკი მოძრაობს წრეში (ან წრის რკალში), რადგან ძალა და სიჩქარე მიმართულია ერთმანეთის მიმართ 90° კუთხით. წრფივი სიჩქარის მიმართულების შეცვლა იწვევს აჩქარების გამოჩენას.
მარცხენა ხელის წესი, რომელიც ზემოთ იყო განხილული, ასევე მოქმედებს ლორენცის ძალის შესწავლისას: თუ მარცხენა ხელი ისეა განლაგებული, რომ მაგნიტური ინდუქციის ვექტორი შედის ხელისგულში, ხაზით გაშლილი ოთხი თითი მიმართულია გასწვრივ. დადებითად დამუხტული ნაწილაკების სიჩქარე, შემდეგ მოხრილი ცერა 90° აჩვენებს ძალის მიმართულებას.
პლაზმის პრობლემები
მაგნიტური ველისა და მატერიის ურთიერთქმედება გამოიყენება ციკლოტრონებში. პლაზმის ლაბორატორიულ კვლევასთან დაკავშირებული პრობლემები არ იძლევა საშუალებას მისი შენახვა დახურულ ჭურჭელში. მაღალ იონიზებული გაზი შეიძლება არსებობდეს მხოლოდ მაღალ ტემპერატურაზე. პლაზმა შეიძლება ინახებოდეს სივრცეში ერთ ადგილას მაგნიტური ველების საშუალებით, ატრიალებს აირს რგოლის სახით. კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქციების შესწავლა ასევე შესაძლებელია მაღალი ტემპერატურის პლაზმის ძაფად დატრიალებით მაგნიტური ველების გამოყენებით.
მაგნიტური ველის მოქმედების მაგალითიin vivo იონიზებულ გაზზე - Aurora Borealis. ეს დიდებული სანახაობა შეინიშნება არქტიკული წრის მიღმა, დედამიწის ზედაპირიდან 100 კმ სიმაღლეზე. გაზის იდუმალი ფერადი ნათება მხოლოდ მე-20 საუკუნეში აიხსნებოდა. დედამიწის მაგნიტური ველი პოლუსებთან ახლოს ვერ უშლის ხელს მზის ქარის შეღწევას ატმოსფეროში. მაგნიტური ინდუქციის ხაზების გასწვრივ მიმართული ყველაზე აქტიური გამოსხივება იწვევს ატმოსფეროს იონიზაციას.
ფენომენები, რომლებიც დაკავშირებულია მუხტის მოძრაობასთან
ისტორიულად, მთავარ სიდიდეს, რომელიც ახასიათებს დენის დინებას გამტარში, ეწოდება დენის სიძლიერე. საინტერესოა, რომ ამ ცნებას არანაირი კავშირი არ აქვს ფიზიკაში ძალასთან. დენის სიძლიერე, რომლის ფორმულა მოიცავს მუხტს, რომელიც მიედინება დროში ერთეულში გამტარის განივი მონაკვეთზე, არის:
I=q/t, სადაც t არის დამუხტვის ნაკადის დრო q
ფაქტობრივად, მიმდინარე სიძლიერე არის დამუხტვის ოდენობა. მისი საზომი ერთეულია ამპერი (A), განსხვავებით N..
ძალის მუშაობის განსაზღვრა
ნივთიერებაზე ძალის მოქმედება თან ახლავს სამუშაოს შესრულებას. ძალის მოქმედება არის ფიზიკური სიდიდე, რომელიც რიცხობრივად ტოლია ძალისა და მისი მოქმედებით გადაადგილების ნამრავლისა და ძალისა და გადაადგილების მიმართულებებს შორის კუთხის კოსინუსს..
ძალის სასურველი მუშაობა, რომლის ფორმულა არის A=FScosα, მოიცავს ძალის სიდიდეს.
სხეულის მოქმედებას თან ახლავს სხეულის სიჩქარის ცვლილება ან დეფორმაცია, რაც მიუთითებს ენერგიის ერთდროულ ცვლილებებზე. ძალის მიერ შესრულებული სამუშაო დამოკიდებულიამნიშვნელობები.
