Силы электромагнитного взаимодействия в механике

В механике разделяют две силы электромагнитного взаимодействия — силу упругости и силу трения. Каждый день мы, сами того не замечая, испытываем на себе действие этих сил. Например, ходьба по заснеженной дороге возможна благодаря силе трения между ногами и снегом, торможение автомобиля происходит за счет трения. Когда мы ложимся спать, на нас все время действует сила реакции опоры со стороны матраса, которая также является силой упругости. Но об этом чуть ниже.

Сила упругости

В какой-то момент своей жизни каждый из нас занимался лепкой из пластилина. Обычный брусочек пластилина в наших руках мог стать чем угодно! Нажимая на пластин, сворачивая его и растягивая, мы оказывали на него воздействие, из-за чего он испытывал деформацию. Таким образом, под действием некоторой силы тела способны испытывать деформацию.

Тела по отношению к деформациям принято делить на два вида:

• упругое тело — если тело возвращается к прежнему состоянию после того, как на него прекращает действовать сила, вызывающая деформацию. Например, если надавливать на воздушный шар, то у него образуется выемка, но если перестать надавливать, шар вернется в прежнее состояние
• пластическое тело — если тело не возвращается к исходному состоянию после прекращения действия силы, вызывающей деформацию. Например, если растянуть пластилин, то он не вернется в прежнюю форму.

В результате деформации в теле возникает сила, которая стремится вернуть тело в исходное состояние. Такая сила называется силой упругости.

Каким образом возникает эта сила упругости? На самом деле природа данной силы обусловлена электромагнитным взаимодействием атомов в кристаллической решетке. Во время механического воздействия на тело внутри кристаллической решетки этого тела нарушается равновесие, атомы смещаются относительно своего начального положения и за счет электромагнитных сил отталкивания и притяжения атомов они стремятся вернуться в исходное положение.

Для упругих деформаций пружины используется закон Гука, который связывает силу упругости, возникающую в пружине при деформации, и удлинение пружины:

где  — удлинение пружины.  — длина пружины после растяжения/сжатия,  — длина пружины до деформации,  — жесткость пружины, которая показывает насколько пружина способна изменять свою длину под действием силы.  Чем больше жесткость пружины, тем сложнее ее растянуть или сжать и наоборот. Следует помнить, что закон Гука справедлив только при малых деформациях.

Силы реакции опоры и натяжения нити

Частным случаем силы упругости является сила реакции опоры. Из названия ясно, что тело выступает в качестве опоры для другого тела. Например, на столе лежит книга, которая давит на стол своим весом.  На стол действует сила — вес книги, а на книгу со стороны стола (то есть опоры) действует сила реакции опоры. В данном случае деформация стола совсем незаметна и ею можно пренебречь.  

Вторым частным случаем силы упругости является сила натяжения нити, которая действует на тело, подвешенное на нити. Сила натяжения нити направлена против деформации. Если тело пытается растянуть нить вниз, то сила натяжения, действующая на тело, будет направлена вверх. Нить чаще всего считают нерастяжимой, поэтому деформацией здесь также можно пренебречь.

Для силы реакции опоры и силы натяжения нити нет определенных формул, чаще всего их необходимо искать, используя законы Ньютона.

Сила трения

Каждый из нас, взаимодействуя с какими-либо объектами, сталкивается с трением. Оно возникает из-за наличия шероховатостей на поверхностях предметов и из-за взаимодействия молекул поверхностей, между которыми действуют электромагнитные силы. Поэтому сила трения имеет электромагнитную природу.

Силой трения называют силу, которая возникает при соприкосновении тел, она препятствует их относительному перемещению и направлена вдоль поверхности соприкосновения.

Сила трения приложена к обоим взаимодействующим телам! То есть, если двигать монету вдоль деревянного стола, то и на монету, и на стол, будет действовать сила одна и та же сила трения, но направлена в разные стороны.

Виды трения

Трение покоя — трение, которое возникает при отсутствии относительного перемещения соприкасающихся тел. Сила трения покоя препятствует возникновению движения одного тела по поверхности другого, таким образом, тело не движется. При этом сила трения покоя, действующая на тело, по модулю равна силе, с которой это тело пытаются сдвинуть, то есть силе тяги, и противоположна ей по направлению:

Чтобы тело начало двигаться, нужно чтобы сила тяги F преодолела максимальное значение силы трения покоя, которое равно:

Тогда тело начинает скользить по поверхности и на него действует уже сила трения скольжения

Сила трения скольжения — трение, которое возникает при перемещении одного тела по поверхности другого при поступательном движении. Она равна предельному значению силы трения покоя и всегда направлена противоположно относительной скорости соприкасающихся тел

где Fтр — сила трения скольжения, — коэффициент трения, N — сила реакции опоры. Как видно из формулы, она не зависит от площади соприкасающихся поверхностей.

Трение качения — трение, возникающее при перемещении одного тела по поверхности другого при вращательном движении. При равных силах нормального давления сила трения скольжения больше силы трения качения, поэтому перекатывать предметы проще, чем пытаться двигать их поступательно.

где R — радиус тела, которое катится, N — сила реакции опоры, — коэффициент трения качения. Эта сила направлена противоположно скорости точки тела, соприкасающейся с поверхностью

Резюме:

1. Электромагнитной природой обладают две силы в механике — сила упругости и сила трения
2. Для малых деформаций упругого тела справедлив закон Гука, который отражает связь деформации тела и силы упругости, возникающей в теле
3. Два частных случая силы упругости — сила реакции опоры и сила натяжения нити
4. Всего различают три вида трения — трение покоя, трение скольжение и трение качения. Максимальное значение силы трения покоя равно значению силе трения скольжения.

---

Задания из ЕГЭ, в которых встречается данная тема:

Задание 1. Задание № 2 (тестовая часть)

На рисунке дан график зависимости модуля силы трения скольжения Fтр от модуля силы реакции опоры N, действующей на тело. Чему равен коэффициент трения?

Ответ

0,25

Источник: ЕГЭ по физике 2023. Основная волна

Задание 2.
Задание № 5 (тестовая часть)

К резиновому шнуру подвешивали грузы разной массы и измеряли удлинение шнура. По результатам измерений построили график зависимости силы упругости от удлинения. Если к шнуру подвесить груз массой m, и вывести его из положения равновесия, то частота колебаний такого маятника будет равна ν₀. Выберите все верные утверждения на основании построенного графика.

1. Выполняется закон Гука.
2. Если подвесить к резиновому шнуру груз массой 4m, то частота колебаний будет больше  ν₀/2.
3. Если подвесить к резиновому шнуру груз массой 4m, то частота колебаний будет меньше
4. Если к резиновому шнуру подвесить груз массой 4m, то удлинение шнура будет равно 4x₀.
5. Если к резиновому шнуру подвесить груз массой 4m, то удлинение шнура будет больше 4x₀.

Ответ

35

Источник: ЕГЭ по физике 2021 основная волна

Задание 3.
Задание № 22 (вторая часть)

Груз массой 200 г подвешен на пружине жёсткостью 100 Н/м к потолку лифта. Лифт равноускорено движется вниз, набирая скорость. Каково ускорение лифта, если удлинение пружины постоянно и равно 1,5 см?

Ответ

2,5 м/с²

---