Страница 16 из 33
Электростатическая сила также лежит в основе электричества: оно есть не что иное, как перемещение электронов, движимых электростатической силой. Более подробно мы остановимся на нем в соответствующем разделе.
Если добавить к этому, что фотоны, из которых состоит свет, являются посланниками электростатической силы, станет ясно, что электростатика превалирует в нашей жизни в наимельчайших деталях.
ПОСЛЕДНИЙ ВЗГЛЯД НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ
Пытаясь определить сущность силы, мы убедились, что ускорение объекта, вероятно, зависит от свойственного объекту параметра, называемого «инертной массой», откуда выражение F→; = ma→; (где m – инертная масса).
На самом деле это справедливо только для одной из двух фундаментальных сил – электростатической. При гравитационном взаимодействии, как мы убедились, ускорение не зависит от инертности объекта.
Почему же в конечном итоге мы пишем, что F→; = ma→;, а не F→; = a→;? Потому что все «контактные» силы, управляющие нашей повседневной жизнью, являются выражением электростатической силы и приводят к ускорению, зависящему от инертности объекта.
Если бы в нашей жизни превалировала гравитация, равное ускорение двух объектов в свободном падении нас ни капли не удивило бы. Но нас сильно бы озадачило, что толкнуть массивный объект гораздо труднее, нежели какую-то безделушку.
Равное ускорение двух объектов в свободном падении, может, и не так уж таинственно. А вот равенство гравитационной и инертной массы выглядит по-прежнему загадочно, ибо оно предполагает, что гравитационная масса участвует в электростатическом взаимодействии.
СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ
• Электростатическая сила прямо пропорциональна зарядам взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое их разделяет.
• Одинаковые заряды отталкиваются, противоположные – притягиваются.
• Как и гравитация, она подтверждает закон о взаимодействии, который, таким образом, оказывается применим к любой силе.
• В основном она касается протонов и электронов на атомном уровне, но тем самым позволяет объяснить все «контактные» силы, действующие в нашем масштабе.
• Фотоны, составляющие свет и все электромагнитные излучения, являются частицами-посланниками этой силы.
• Электричество – особая область применения, где электроны приводятся в движение посредством электростатической силы.
4. Контактные силы
Теперь, когда мы объяснили природу электростатической силы, мы сможем представить различные контактные силы, существующие на нашем уровне, которые из нее проистекают.
Они включают контакт с воздухом или водой, что позволит нам ввести понятие давления и объяснить природу силы Архимеда. Это поможет нам понять, почему на высоте давление понижается, как летают воздушные шары и как плавают некоторые предметы.
Электростатическая сила покажется нам далекой. И действительно, в каждом кубе материи со стороной 1 мм заключено примерно сто миллиардов миллиардов атомов, то есть невозможно рассмотреть действие электростатической силы для каждого из них в отдельности, чтобы вывести результат для нашего масштаба. Так что придется обойтись эмпирическими законами, выведенными с помощью опытов. Эти законы не являются фундаментальными, ибо они лишь следствие электростатической силы.
1. Взаимодействие твердых тел
Сила реакции опоры
Когда мы стоим прямо и неподвижно, на нас действует сила почвы. Согласно формуле ma→; = F→; наш вес должен сообщать нам ускорение, направленное вниз: если этого не происходит, значит, сопротивление почвы полностью компенсирует наш вес.
Не существует никакого специального выражения, описывающего силу, не дающую нам провалиться сквозь землю: каждый раз эта сила такой мощности, чтобы объект не мог пройти сквозь опору (мы рассматривали причину этого на атомном уровне).
Таким образом, чем больше вес предмета, поставленного на поверхность, тем больше сила, с которой поверхность действует на тело, чтобы свести ускорение к нулю.
Если предмет ни в коем случае не может иметь перпендикулярного ускорения на плоской поверхности, зато он может иметь ускорение, направленное вдоль поверхности. Например, если мы положим кусок льда на наклонную поверхность (➙ рис. 4.1 а): часть его веса побуждает его пройти сквозь поверхность, но эта часть встречает противодействие поверхности. Другая часть веса влечет лед вниз по склону, эту часть ничто не уравновешивает, и лед скользит вниз. Теперь заменим лед на что-нибудь более шершавое, например на резину (➙ рис. 4.1 b): при условии, что склон будет не слишком крутым, мы убедимся, что резина останется на месте. Это означает, что на этот раз «что-то» оказывает некое дополнительное воздействие, которое мешает весу заставить тело пройти сквозь опору. Чтобы таким образом нейтрализовать действие веса, эта новая сила направлена вдоль склона и вверх.
Рис. 4.1 – Силы, действующие на лед и резину на наклонной поверхности
(b) – действие веса и реакция опоры вместе составляют силу, толкающую лед вниз по склону. (b) – в реакции опоры одна из составляющих сил, благодаря контакту с шершавой поверхностью, направлена вверх, что сводит общую силу к нулю.
В итоге мы можем разделить реакцию опоры на две составляющих:
• «нормальная» составляющая (перпендикулярная поверхности), которая не дает объекту пройти сквозь опору;
• тангенциальная составляющая (действующая вдоль поверхности), препятствующая скольжению объекта вдоль поверхности (➙ рис. 4.2).
Рис. 4.2 – Составляющие реакции опоры
Микроскопические аспекты контакта
Как поверхность может проявлять тангенциальную силу? Чтобы точно понять, что происходит, нужно ближе присмотреться к месту соприкосновения резины и поверхности, на микроскопическом уровне (этот уровень будет промежуточным между размером атома и резины).
Рис. 4.3 – Соприкосновения двух твердых тел: вид под микроскопом
На рис. 4.3 показано, что мы рассматриваем в данном случае: поверхность соприкосновения двух твердых тел, которая при взгляде невооруженным глазом кажется гладкой, но на деле вся состоит из бугорков. Даже хорошо отполированная поверхность на микроскопическом уровне представляет собой ту же картину.
Мы убедились в следующем:
• Прежде всего, контакт происходит на уровне маленьких бугорков двух твердых тел, а вовсе не вдоль поверхности. То есть, несмотря на видимость, два твердых тела прикасаются друг к другу лишь частично, а большую часть так называемой «контактной зоны» занимает воздух.
• Затем мы видим, что «бугорки» в какой-то степени цепляются друг за друга, что не дает двум поверхностям скользить друг по другу. Именно это объясняет неподвижность резинки даже на наклонной поверхности: таким образом, мы видим, что сила, с которой поверхность действует на предмет, проявляется не только перпендикулярно, но и вдоль.