Interaction des corps, exemples de la vie. Interaction des corps en physique

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Pourquoi la Lune se déplace-t-elle autour de la Terre et ne vole-t-elle pas dans l’espace ? Quel corps est appelé chargé ? Comment les corps chargés interagissent-ils entre eux ? À quelle fréquence rencontrons-nous une interaction électromagnétique ? Ce ne sont là que quelques-unes des questions que nous devons aborder dans ce paragraphe. Commençons!

1. Assurez-vous que les corps interagissent

Dans la vie de tous les jours, nous sommes constamment confrontés à divers types d'influences de certains corps sur d'autres. Pour ouvrir la porte, il faut « agir » dessus avec la main ; l'impact du pied fait voler le ballon dans le but ; même lorsque l'on s'assoit sur une chaise, on agit sur elle (Fig. 1.35, p. .38).

En même temps, lorsque nous ouvrons la porte, nous ressentons son impact sur notre main, l'effet du ballon sur notre pied est particulièrement perceptible si vous jouez au football pieds nus, et l'effet de la chaise nous empêche de tomber au sol. Autrement dit, une action est toujours une interaction : si un corps agit sur un autre, alors l'autre corps agit sur le premier.

Riz. 1h35. Exemples d'interaction entre les corps

On voit clairement que l’action n’est pas unilatérale. Réalisez une expérience simple : debout sur des patins, poussez légèrement votre ami. En conséquence, non seulement votre ami commencera à bouger, mais vous commencerez vous-même à bouger.

Ces exemples confirment la conclusion des scientifiques selon laquelle, dans la nature, nous avons toujours affaire à une interaction et non à une action unilatérale.

Examinons de plus près certains types d'interactions.

2. N'oubliez pas l'interaction gravitationnelle

Pourquoi un objet, qu'il s'agisse d'un crayon libéré d'une main, d'une feuille d'arbre ou d'une goutte de pluie, tombe-t-il et se déplace vers le bas (Fig. 1.36) ? Pourquoi une flèche tirée par un arc ne vole-t-elle pas droit mais finit-elle par tomber au sol ? Pourquoi la Lune tourne-t-elle autour de la Terre ? La raison de tous ces phénomènes est que la Terre attire d'autres corps vers elle, et ces corps attirent également la Terre vers eux. Par exemple, la gravité de la Lune provoque des marées sur Terre (Fig. 1.37). Notre planète et toutes les autres planètes du système solaire sont attirées par le Soleil et les unes par les autres.

Riz. 1.36. Les gouttes de pluie tombent sous l'influence de la gravité terrestre

En 1687, l'éminent physicien anglais Isaac Newton (Fig. 1.38) a formulé une loi selon laquelle il existe une attraction mutuelle entre tous les corps de l'Univers.

Riz. 1.37. Les marées sont une conséquence de la gravité de la Lune

Cette attraction mutuelle des objets matériels est appelée interaction gravitationnelle. Sur la base d'expériences et de calculs mathématiques, Newton a établi que l'intensité de l'interaction gravitationnelle augmente avec l'augmentation des masses de corps en interaction. C'est pourquoi il est facile de se convaincre que vous et moi sommes attirés par la Terre, mais nous ne ressentons pas du tout l'attirance de notre voisin de bureau.

3. Connaître l'interaction macromagnétique

Il existe d'autres types d'interactions. Par exemple, si vous frottez un ballon avec un morceau de soie, il commencera à attirer divers objets lumineux : fibres, grains de riz, morceaux de papier (Fig. 1.39). On dit qu’une telle balle est électrifiée ou chargée.

Les corps chargés interagissent les uns avec les autres, mais la nature de leur interaction peut être différente : soit ils s'attirent, soit ils se repoussent (Fig. 1.40).

Riz. 1.38. Célèbre scientifique anglais Isaac Newton (1643-1727)

Les premières études sérieuses de ce phénomène furent réalisées par le scientifique anglais William Gilbert (1544-1603) à la fin du XVIe siècle.

Riz. 1.39. Une boule électrifiée attire une feuille de papier

Riz. 1h40. Deux boules chargées interagissent l'une avec l'autre : a - s'attirent ; b - repousser

Gilbert a appelé électrique l'interaction entre les corps chargés (du mot grec elektron - ambre), puisque les anciens Grecs ont remarqué que l'ambre, s'il est frotté, commence à attirer de petits objets vers lui.

Vous savez bien que l'aiguille de la boussole, si on la laisse tourner librement, s'arrête toujours avec une extrémité pointant vers le nord et l'autre vers le sud (Fig. 1.41). Cela est dû au fait que l'aiguille de la boussole est un aimant, notre planète Terre est aussi un aimant, et un énorme, et deux aimants interagissent toujours les uns avec les autres. Prenez deux aimants et dès que vous essayez de les rapprocher l'un de l'autre, vous ressentirez immédiatement une attirance ou une répulsion. Cette interaction est appelée magnétique.

Les physiciens ont découvert que les lois décrivant les interactions électriques et magnétiques sont les mêmes. Par conséquent, en science, il est d’usage de parler d’une seule interaction électromagnétique.

Nous rencontrons littéralement des interactions électromagnétiques à chaque pas - après tout, lorsque nous marchons, nous interagissons avec la surface de la route (nous nous déplaçons), et la nature de cette interaction est électromagnétique. Grâce aux interactions électromagnétiques, nous bougeons, nous asseyons et écrivons. Nous voyons, entendons, sentons et touchons également à l’aide de l’interaction électromagnétique (Fig. 1.42). Le fonctionnement de la plupart des appareils et appareils électroménagers modernes repose sur l’interaction électromagnétique.

Disons plus : l'existence de corps physiques, y compris vous et moi, serait impossible sans interaction électromagnétique. Mais qu’est-ce que l’interaction des billes chargées et des aimants a à voir avec tout cela ? - tu demandes. Ne vous précipitez pas : en étudiant la physique, vous serez certainement convaincu que ce lien existe.

4. Nous sommes confrontés à des problèmes non résolus

Notre description serait incomplète si nous ne mentionnions pas deux autres types d'interactions qui n'ont été découvertes qu'au milieu du siècle dernier.

Riz. 1.41 L'aiguille de la boussole est toujours orientée vers le nord

Riz. 1.42 On voit, on entend, on comprend grâce à l'interaction électromagnétique

Elles sont appelées interactions fortes et faibles et n’agissent qu’au sein du microcosme. Il existe donc quatre types d’interactions différents. Est-ce trop ? Bien entendu, il serait bien plus pratique de traiter d’un seul type d’interaction universelle. De plus, il existe déjà un exemple de combinaison de diverses interactions - électriques et magnétiques - en une seule interaction électromagnétique.

Depuis de nombreuses décennies, les scientifiques tentent de créer une théorie d’une telle unification. Certaines mesures ont déjà été prises. Dans les années 60 du 20e siècle, il a été possible de créer une théorie de l'interaction dite électrofaible, dans le cadre de laquelle les interactions électromagnétiques et faibles ont été combinées. Mais l’unification complète (« grande ») de tous les types d’interactions est encore loin. Par conséquent, chacun d’entre vous a la chance de faire une découverte scientifique d’importance mondiale !

Résumons-le

En physique, l'interaction est l'action de corps ou de particules les uns sur les autres. Nous avons brièvement décrit deux types d'interactions sur quatre connues en science : gravitationnelle et électromagnétique.

L'attraction des corps vers la Terre, des planètes vers le Soleil et vice versa sont des exemples de manifestation d'interaction gravitationnelle.

Un exemple d'interaction électrique est l'interaction d'un ballon électrifié avec des morceaux de papier. Un exemple d'interaction magnétique est l'interaction de l'aiguille d'une boussole avec la Terre, qui est également un aimant, de sorte qu'une extrémité de l'aiguille pointe toujours vers le nord et l'autre vers le sud.

Les interactions électriques et magnétiques sont les manifestations d’une seule interaction électromagnétique.

Questions de contrôle

1. Donnez des exemples d'interactions entre les corps.

2. Quels types d’interactions existent dans la nature ?

3. Donnez des exemples d'interaction gravitationnelle.

4. Qui a découvert la loi selon laquelle il existe une attraction mutuelle entre tous les corps de l'Univers ?

5. Donnez des exemples d'interactions électromagnétiques.

Exercice

Écrivez un court essai sur le thème « Mon expérience confirmant l'interaction des corps » (cela pourrait même être de la poésie !).

Physique et technologie en Ukraine

Lev Vasilievich Shubnikov (1901-1945) a vécu une partie importante de sa courte vie à Kharkov, où il dirigeait le laboratoire de basse température. Le niveau de précision de nombreuses mesures en laboratoire n'était pas inférieur à celui des mesures modernes. En laboratoire dans les années 30, l'oxygène, l'azote et d'autres gaz étaient obtenus sous forme liquide. Shubnikov a été le fondateur de l'étude des métaux dans l'état dit supraconducteur, lorsque la résistance électrique du matériau est nulle. La plus haute récompense pour un scientifique est lorsque le nom du phénomène qu'il a découvert est utilisé à la place d'un terme technique portant le nom du scientifique lui-même. « Effet Shubnikov-de Haas » ; « Phase Shubnikov » ; La « méthode Obreimov-Shubnikov » ne sont que quelques exemples de la contribution du célèbre scientifique ukrainien à la construction de la physique moderne.

La physique. 7e année : Manuel / F. Ya. Bozhinova, N. M. Kiryukhin, E. A. Kiryukhina. - X. : Maison d'édition « Ranok », 2007. - 192 p. : ill.

Pour qu'un corps se repose ou se déplace de manière uniforme et rectiligne, soit il n'est pas nécessaire d'agir sur lui, soit il doit être actionné de telle manière que l'action totale de tous les corps soit compensée. Le moment est venu de comprendre ce qui doit se passer pour que le corps commence à changer de vitesse, c'est-à-dire à acquérir une accélération. Pour ce faire, vous devrez vous souvenir de certaines grandeurs physiques que nous avons rencontrées dans les cours de physique des classes précédentes.

Comme on le sait, la vitesse d’un corps ne change que si un autre corps agit sur lui. Par exemple, la chute libre d’un poids résultant de l’action de la Terre sur celui-ci. En tombant, la vitesse augmente, ce qui signifie que son changement est dû à cette action (Fig. 1).

Riz. 1. Chute libre

Mais en même temps, la vitesse du deuxième corps change également. Essayez de vous éloigner sur la glace d'un ami qui se tient à côté de vous. Vous remarquerez que votre ami commencera également à bouger. Les corps interagissent. Il n’existe pas d’action unilatérale.

Pour caractériser l'interaction des corps, il est nécessaire d'introduire une grandeur physique, une telle grandeur est la force.

Forcer - il s'agit d'une grandeur vectorielle qui caractérise l'action d'un corps sur un autre (l'interaction des corps). La force est une mesure d'interaction. L'unité SI de force est le newton.

N (newtons)

Puisqu'un corps subit une accélération sous l'action d'une force, il est nécessaire d'établir un lien entre l'accélération acquise par le corps et la force qui a provoqué cette accélération.

Si des forces de différentes ampleurs sont appliquées à un chariot sur lequel est installée une structure spéciale avec un poids suspendu (Fig. 2), qui dévie lorsque le chariot accélère, vous pouvez remarquer que la déflexion du poids augmentera avec l'augmentation de la force appliquée. C'est-à-dire que l'accélération qu'un corps acquiert à la suite de l'action d'une force sur lui est directement proportionnelle à l'ampleur de cette force (Fig. 3). L'accélération est dirigée dans la même direction que la force.

Riz. 2. Etude de la relation entre force et accélération d'un corps

Riz. 3. L'accélération qu'un corps acquiert sous l'effet d'une force agissant sur lui est directement proportionnelle à l'ampleur de cette force

L'accélération dépend également du poids corporel.

Si vous modifiez la masse du chariot (Fig. 4), auquel une force constante est appliquée, vous remarquerez que la déflexion du poids diminue à mesure que la masse augmente. Autrement dit, l’accélération est inversement proportionnelle à la masse du corps.

Riz. 4. L'accélération qu'un corps acquiert sous l'action d'une force sur lui est inversement proportionnelle à la masse de ce corps

La deuxième loi de Newton combine les deux conclusions obtenues ci-dessus.

Deuxième loi de Newton: accélération acquise par un corps suite à l'action d'une force sur lui F, est directement proportionnelle à l’ampleur de cette force et inversement proportionnelle à la masse du corps.

Si plusieurs forces agissent sur un corps, alors la résultante de ces forces est trouvée, c'est-à-dire une certaine force totale totale qui a une certaine direction et une certaine valeur numérique. Autrement dit, pratiquement tous les cas d'application de diverses forces à un moment donné peuvent être réduits à l'action d'une force résultante.

Résultant Ils appellent une force qui communiquerait à un corps la même accélération que la somme vectorielle de toutes les forces agissant sur le corps.

Ainsi, Deuxième loi de Newton peut être formulé ainsi : la résultante de toutes les forces agissant sur un corps est égale au produit de la masse du corps et de l'accélération acquise sous l'action de ces forces.

Types d'interaction en physique

Il existe quatre types d'interactions dans la nature.

1. gravitationnel(force gravitationnelle) est l’interaction entre des corps qui ont une masse. C’est significatif à l’échelle des corps cosmiques. Par exemple, nous ressentons notre attirance pour la Terre, car elle a une masse énorme, mais nous ne ressentons pas l'attirance pour la table, la chaise et d'autres corps de masse relativement petite.

2. Électromagnétique. La composition de tout atome comprend des particules chargées. Une telle interaction est donc fondamentale et nous la rencontrons toujours et partout. C'est l'interaction électromagnétique qui est responsable de forces mécaniques telles que la force de frottement (Fig. 5) et la force élastique.

Riz. 5. La nature de la force de frottement

À mesure que la distance intermoléculaire augmente, les forces d'attraction et de répulsion intermoléculaires diminuent - seules les forces attractives diminuent plus lentement que les forces répulsives - par conséquent, des forces élastiques totales apparaissent, qui sont dirigées vers les forces d'attraction intermoléculaires (Fig. 6).

Riz. 6. La nature de la force élastique

Par rapport à l'interaction gravitationnelle, l'interaction électromagnétique est beaucoup plus forte, mais, contrairement à la première, elle s'applique aux corps porteurs d'une charge électrique.

3. Fort. Cette interaction a été découverte il y a environ 100 ans. C’est alors que les scientifiques ont commencé à se demander comment les protons, qui sont chargés positivement et font partie du noyau, y sont retenus (Fig. 7), car les corps chargés de la même manière doivent se repousser. La force forte retient les protons dans le noyau. Cette interaction est de courte portée, c’est-à-dire qu’elle agit sur une distance de l’ordre de la taille du noyau.

Riz. 7. La force forte maintient les protons dans le noyau

4. Faible. Une telle interaction est responsable de certains types d'interactions entre particules élémentaires, de certains types de désintégration β et d'autres processus se produisant à l'intérieur de l'atome, du noyau atomique (Fig. 8).

Riz. 8. Désintégrations alpha, bêta et gamma

De nombreux physiciens pensent qu'il existe une interaction générale dans la nature et que les interactions ci-dessus ne sont que ses manifestations, et tentent d'obtenir ce qu'on appelle la théorie des champs unifiés, dans laquelle tous ces quatre types seront réduits à un seul. À l’heure actuelle, il est possible de combiner des interactions électromagnétiques, fortes et faibles.

Deuxième loi de Newton dans NSO. Force centrifuge

Les lois de Newton sont remplies dans des référentiels inertiels, mais il est possible de faire en sorte que ces lois soient également remplies dans des référentiels non inertiels (NSF).

Les scientifiques s'accordent à croire qu'en NSO, en plus des forces habituelles responsables de l'apparition d'accélérations dans un corps, il existe des forces d'inertie - un type particulier de force. Ils sont associés à l'accélération avec laquelle un système non inertiel se déplace par rapport à un système inertiel.

En NSO, la deuxième loi de Newton prend la forme suivante :

où est l'accélération dans un référentiel non inertiel ; - force d'inertie

où est l'accélération absolue du référentiel inertiel

En NSO, la troisième loi de Newton concernant les forces d'inertie n'est pas satisfaite.

Un exemple de force d'inertie est force centrifuge. Lors d'un virage serré de la voiture, une personne est pressée contre un siège. Du point de vue de cette personne, une force centrifuge agit sur elle, et du point de vue d'un observateur au sol, la personne continue de se déplacer par inertie, tandis que le siège auto a tendance à tourner (Fig. 9).

Riz. 9. Force centrifuge

Comment trouver la force résultante

Résultant (résultant) est une force dont le résultat est équivalent à l'action totale de toutes les forces appliquées au corps (Fig. 10).

Riz. 10. Trouver la résultante

Les forces ne doivent pas nécessairement s’accroître mutuellement. Imaginez que vous faites de la luge en hiver (Fig. 11). Dans la première situation, les forces fournies par vos amis s’additionnent. Dans la seconde, l’un des amis ne veut pas abandonner le traîneau et le tire dans l’autre sens. Dans ce cas, les modules de force sont soustraits.

Riz. 11. Illustration par exemple

Prenons un exemple où les forces ne sont pas dirigées le long d'une ligne droite, mais dans des directions différentes. En figue. La figure 11 montre un corps qui se trouve sur un plan incliné et est maintenu dessus par l'action du frottement. En plus de cette force, le corps est affecté par la force de gravité () et la force de réaction du sol (). Si le corps est dans une position d'équilibre, alors la somme vectorielle de toutes les forces est égale à zéro, c'est-à-dire que la résultante est égale à zéro.

Par conséquent, l’accélération que le corps acquiert est également nulle.

Riz. 11. Forces agissant sur le corps

Bibliographie

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Devoirs

Selon la physique classique, dans le monde que nous connaissons, les corps et les particules interagissent constamment les uns avec les autres. Même si l’on observe des objets au repos, cela ne veut pas dire que rien ne se passe. C'est grâce aux forces de maintien entre molécules, atomes et particules élémentaires que l'on peut voir un objet sous forme de matière du monde physique qui nous est accessible et compréhensible.

Interaction des corps dans la nature et la vie

Comme nous le savons par notre propre expérience, lorsque vous tombez sur quelque chose, heurtez quelque chose, entrez en collision avec quelque chose, cela s'avère désagréable et douloureux. Vous poussez une voiture ou un passant imprudent vous percute. D’une manière ou d’une autre, vous interagissez avec le monde qui vous entoure. En physique, ce phénomène était défini comme « l’interaction des corps ». Examinons en détail en quels types la science classique moderne les divise.

Types d'interaction entre les corps

Dans la nature, il existe quatre types d’interactions entre les corps. La première, bien connue, est l’interaction gravitationnelle des corps. La masse des corps détermine la force de la gravité.

Il doit être suffisamment grand pour que nous le remarquions. Sinon, observer et enregistrer ce type d’interaction est assez difficile. L'espace est le lieu où les forces gravitationnelles peuvent être observées dans l'exemple des corps cosmiques de masse énorme.

Relation entre la gravité et la masse corporelle

Directement, l'énergie d'interaction entre les corps est directement proportionnelle à la masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Ceci est conforme à la définition de la science moderne.

L'attraction de vous et de tous les objets sur notre planète est due au fait qu'il existe une force d'interaction entre deux corps de masse. Par conséquent, un objet projeté vers le haut est attiré vers la surface de la Terre. La planète est assez massive, la force d'action est donc perceptible. La gravité provoque l'interaction des corps. La masse des corps permet de la manifester et de l'inscrire.

La nature de la gravité n'est pas claire

La nature de ce phénomène suscite aujourd'hui de nombreuses controverses et spéculations ; hormis l'observation réelle et la relation visible entre masse et attraction, la force à l'origine de la gravité n'a pas été identifiée. Bien qu'aujourd'hui, un certain nombre d'expériences soient menées concernant la détection d'ondes gravitationnelles dans l'espace. Une hypothèse plus précise a été formulée par Albert Einstein.

Il a formulé l'hypothèse selon laquelle la force gravitationnelle est le produit de la courbure du tissu de l'espace-temps par les corps qui s'y trouvent.

Par la suite, lorsque l’espace est déplacé par la matière, il tend à retrouver son volume. Einstein a proposé qu'il existe une relation inverse entre la force et la densité de la matière.

Un exemple d'une démonstration claire de cette dépendance est celui des trous noirs, qui ont une densité de matière et une gravité incroyables, capables d'attirer non seulement les corps cosmiques, mais aussi la lumière.

C'est grâce à l'influence de la nature de la gravité que la force d'interaction entre les corps assure l'existence des planètes, étoiles et autres objets spatiaux. De plus, la rotation de certains objets autour d’autres est présente pour la même raison.

Forces électromagnétiques et progrès

L'interaction électromagnétique des corps rappelle un peu l'interaction gravitationnelle, mais en beaucoup plus forte. L’interaction de particules chargées positivement et négativement est la raison de son existence. En réalité, cela provoque l’émergence d’un champ électromagnétique.

Il est généré par le(s) corps ou absorbé ou provoque l'interaction de corps chargés. Ce processus joue un rôle très important dans l'activité biologique d'une cellule vivante et dans la redistribution des substances qu'elle contient.

De plus, un exemple clair de manifestation électromagnétique de forces est le courant électrique ordinaire, le champ magnétique de la planète. L’humanité utilise largement ce pouvoir pour transmettre des données. Ce sont les communications mobiles, la télévision, le GPRS et bien plus encore.

En mécanique, cela se manifeste sous forme d’élasticité et de frottement. Une expérience claire démontrant la présence de cette force est connue de tous grâce à un cours de physique scolaire. Il s'agit de frotter une étagère en ébonite avec un chiffon en soie. Les particules chargées négativement qui apparaissent à la surface attirent les objets légers. Un exemple quotidien est un peigne et des cheveux. Après plusieurs mouvements du plastique dans les cheveux, une attraction naît entre eux.

Il convient de mentionner la boussole et le champ magnétique terrestre. La flèche est magnétisée et se termine par des particules chargées positivement et négativement, elle réagit ainsi au champ magnétique de la planète. Il tourne son extrémité « positive » vers les particules négatives et vice versa.

De petite taille mais énorme en force

Quant à l’interaction forte, sa spécificité rappelle quelque peu les forces de type électromagnétique. La raison en est la présence d’éléments chargés positivement et négativement. Comme la force électromagnétique, la présence de charges opposées conduit à l’interaction des corps. La masse des corps et la distance qui les sépare sont très petites. Il s'agit d'une zone du monde subatomique où ces objets sont appelés particules.

Ces forces agissent dans la région du noyau atomique et assurent la communication entre les protons, les électrons, les baryons et autres particules élémentaires. Compte tenu de leur taille, par rapport aux gros objets, l’interaction des corps chargés est beaucoup plus forte qu’avec une force de type électromagnétique.

Forces faibles et radioactivité

Le type d'interaction faible est directement lié à la désintégration de particules instables et s'accompagne de la libération de différents types de rayonnements sous forme de particules alpha, bêta et gamma. En règle générale, les substances et matériaux présentant des caractéristiques similaires sont appelés radioactifs.

Ce type de force est appelé faible car il est plus faible que les types d’interaction électromagnétique et forte. Cependant, elle est plus puissante que l’interaction gravitationnelle. Dans ce processus, les distances entre particules sont très petites, de l'ordre de 2,10 à 18 mètres.

Le fait de découvrir la force et de la définir parmi les forces fondamentales s'est produit assez récemment.

Avec la découverte en 1896 par Henri Becquerel du phénomène de radioactivité des substances, notamment des sels d'uranium, commence l'étude de ce type d'interaction de forces.

Quatre forces ont créé l'univers

L’Univers entier existe grâce à quatre forces fondamentales découvertes par la science moderne. Ils ont donné naissance à l'espace, aux galaxies, aux planètes, aux étoiles et à divers processus sous la forme sous laquelle nous l'observons. À ce stade, la définition des forces fondamentales de la nature est considérée comme terminée, mais peut-être qu'avec le temps, nous découvrirons la présence de nouvelles forces et que la connaissance de la nature de l'univers se rapprochera de nous.

Interaction des corps

Vous pouvez donner un certain nombre d’exemples d’interaction corporelle. Lorsque vous, alors que vous êtes dans un bateau, commencez à tirer une autre corde, votre bateau avancera certainement. En agissant sur le deuxième bateau, vous l'obligez à agir sur votre bateau.

Si vous frappez un ballon de football, vous ressentirez immédiatement le coup de pied sur votre pied. Lorsque deux boules de billard entrent en collision, elles changent de vitesse, c'est-à-dire Les deux balles obtiennent une accélération. Tout cela est une manifestation de la loi générale de l'interaction entre les corps.

Les actions des corps les uns sur les autres sont de nature interactive et non seulement lors du contact direct des corps. Placez, par exemple, deux aimants puissants avec des pôles différents se faisant face sur une table lisse et vous constaterez immédiatement qu'ils commenceront à se rapprocher l'un de l'autre. La Terre attire la Lune (gravité universelle) et la force à se déplacer le long d’une trajectoire courbe ; à son tour, la Lune attire également la Terre (également la force de gravité universelle). Même si, naturellement, dans le référentiel associé à la Terre, l'accélération de la Terre provoquée par cette force ne peut pas être détectée directement, elle se manifeste sous forme de marées.

Découvrons par l'expérience comment les forces d'interaction entre deux corps sont liées. Des mesures approximatives des forces peuvent être effectuées à l’aide des expériences suivantes :

1 expérience. Prenons deux dynamomètres, accrochons leurs crochets l'un à l'autre, et en tenant les anneaux, nous les étirons en surveillant les lectures des deux dynamomètres.

Nous verrons que pour n'importe quel tronçon, les lectures des deux dynamomètres seront les mêmes ; Cela signifie que la force avec laquelle le premier dynamomètre agit sur le second est égale à la force avec laquelle le deuxième dynamomètre agit sur le premier.

2 expériences. Prenons un aimant suffisamment puissant et une barre de fer et plaçons-les sur les rouleaux pour réduire la friction sur la table. Nous attachons des ressorts souples identiques à l'aimant et à la barre, leurs autres extrémités étant accrochées à la table. L'aimant et la barre vont s'attirer et étirer les ressorts.

L'expérience montre qu'au moment où le mouvement s'arrête, les ressorts sont tendus de manière égale. Cela signifie que des forces de même ampleur et de direction opposée agissent sur les deux corps du côté des ressorts.

Puisque l’aimant est au repos, la force est égale en ampleur et en direction opposée à la force avec laquelle le bloc agit sur lui.

De la même manière, les forces agissant sur le bloc par l'aimant et le ressort sont égales en amplitude et de direction opposée.

L'expérience montre que les forces d'interaction entre deux corps sont de même ampleur et de direction opposée même dans les cas où les corps sont en mouvement.

3 expériences. Deux personnes A et B se tiennent debout sur deux chariots pouvant rouler sur des rails et tiennent les extrémités de la corde dans leurs mains. Il est facile de constater que peu importe qui tire la corde, A ou B, ou les deux, les charrettes se mettent toujours en mouvement en même temps et, de plus, dans des directions opposées. En mesurant les accélérations des chariots, on peut vérifier que les accélérations sont inversement proportionnelles aux masses de chacun des chariots (y compris la personne). Il s’ensuit que les forces agissant sur les chariots sont de même ampleur.

Première loi de Newton. Systèmes de référence inertiels

Comme première loi de la dynamique, Newton a accepté la loi établie par Galilée : un point matériel maintient un état de repos ou de mouvement linéaire uniforme jusqu'à ce que l'influence d'autres corps le fasse sortir de cet état.

La première loi de Newton montre que le repos ou le mouvement linéaire uniforme ne nécessite aucune influence externe pour le maintenir. Cela révèle une propriété dynamique particulière des corps, appelée leur inertie.

En conséquence, la première loi de Newton est appelée loi d'inertie, et le mouvement d'un corps en l'absence d'influence d'autres corps est appelé mouvement d'inertie.

Le mouvement mécanique est relatif : son caractère pour un même corps peut être différent selon différents systèmes de référence se déplaçant les uns par rapport aux autres. Par exemple, un astronaute à bord d'un satellite artificiel terrestre est immobile dans le référentiel associé au satellite. En même temps, par rapport à la Terre, il se déplace avec le satellite sur une orbite elliptique, c'est-à-dire pas uniformément ou droit.

Il est donc naturel que la première loi de Newton ne soit pas satisfaite dans tous les cadres de référence. Par exemple, une balle posée sur le fond lisse d'une cabine de navire, qui se déplace en ligne droite et uniformément, peut commencer à se déplacer sur le sol sans aucune influence d'aucun corps. Pour ce faire, il suffit que la vitesse du navire commence à changer.

Le système de référence par rapport auquel un point matériel, libre de toute influence extérieure, est au repos ou se déplace de manière uniforme et rectiligne est appelé système de référence inertiel. Le contenu de la première loi, la première loi de Newton, se réduit essentiellement à deux énoncés : premièrement, que tous les corps ont la propriété d'inertie et, deuxièmement, qu'il existe des référentiels inertiels.

Deux systèmes de référence inertiels quelconques peuvent se déplacer l'un par rapport à l'autre uniquement en translation et, de plus, de manière uniforme et rectiligne. Il a été établi expérimentalement que le système de référence héliocentrique est pratiquement inertiel, dont l'origine est située au centre de masse du système solaire (approximativement au centre du Soleil), et les axes sont tracés en direction de trois directions distantes. étoiles, choisies, par exemple, pour que les axes de coordonnées soient perpendiculaires entre eux.

Le système de référence du laboratoire, dont les axes de coordonnées sont rigidement liés à la Terre, n'est pas inertiel principalement en raison de la rotation quotidienne de la Terre. Cependant, la Terre tourne si lentement que l'accélération normale maximale des points à sa surface pendant la rotation quotidienne ne dépasse pas 0,034 m/. Par conséquent, dans la plupart des problèmes pratiques, le système de référence du laboratoire peut être approximativement considéré comme inertiel.

Les référentiels inertiels jouent un rôle particulier non seulement en mécanique, mais aussi dans toutes les autres branches de la physique. Cela est dû au fait que, selon le principe de relativité d'Einstein, l'expression mathématique de toute loi physique doit avoir la même forme dans tous les référentiels inertiels.

La force est une quantité vectorielle qui mesure l’action mécanique exercée sur le corps en question par d’autres corps. L'interaction mécanique peut se produire à la fois entre des corps en contact direct (par exemple, lors d'un frottement, lorsque les corps se pressent l'un sur l'autre) et entre des corps distants. Une forme particulière de matière qui relie les particules de matière en systèmes uniques et transmet l'action d'une particule à une autre à une vitesse finie est appelée champ physique, ou simplement champ.

L'interaction entre corps distants s'effectue grâce aux champs gravitationnels et électromagnétiques qu'ils créent (par exemple, l'attraction des planètes vers le Soleil, l'interaction de corps chargés, conducteurs avec courant, etc.). L'action mécanique sur un corps donné de la part d'autres corps se manifeste de deux manières. Il est capable de provoquer, d'une part, une modification de l'état de mouvement mécanique du corps en question, et d'autre part, sa déformation. Ces deux manifestations de force peuvent servir de base à la mesure des forces. Par exemple, des mesures de force à l'aide d'un dynamomètre à ressort basées sur la loi de Hooke pour la tension longitudinale. Utilisant la notion de force en mécanique, on parle habituellement du mouvement et de la déformation d'un corps sous l'influence de forces qui lui sont appliquées.

Dans ce cas, bien entendu, à chaque force correspond toujours un corps agissant sur l'objet considéré avec cette force.

La force F est complètement définie si son ampleur, sa direction dans l'espace et son point d'application sont donnés. La ligne droite le long de laquelle la force est dirigée est appelée ligne d’action de la force.

Un champ agissant sur un point matériel avec une force F est appelé champ stationnaire s'il ne change pas au cours du temps t, c'est-à-dire si en tout point du champ la force F ne dépend pas explicitement du temps :

Pour que le champ soit stationnaire, il faut que les corps qui le créent soient au repos par rapport au référentiel inertiel utilisé pour considérer le champ.

Action simultanée de plusieurs forces sur un point matériel M est équivalent à l'action d'une force, appelée force résultante ou résultante et égale à leur somme géométrique.

Il représente le polygone de fermeture des forces

Poids. Impulsion

En mécanique classique, la masse d'un point matériel est une quantité scalaire positive, qui est une mesure de l'inertie de ce point. Sous l'influence d'une force, un point matériel ne change pas de vitesse instantanément, mais progressivement, c'est-à-dire acquiert une accélération finie, d'autant plus faible que la masse du point matériel est grande. Pour comparer les masses de deux points matériels, il suffit de mesurer les modules et accélérations acquis par ces points sous l'action d'une même force :

Généralement, le poids corporel est déterminé en pesant sur une balance à levier.

En mécanique classique, on pense que :

a) La masse d'un point matériel ne dépend pas de l'état de mouvement du point, étant sa caractéristique constante.

b) La masse est une quantité additive, c'est-à-dire la masse d'un système (par exemple, un corps) est égale à la somme des masses de tous les points matériels qui font partie de ce système.

c) La masse d'un système fermé reste inchangée lors de tout processus se produisant dans ce système (loi de conservation de la masse).

La densité ρ d'un corps en un point M donné est le rapport de la masse dm d'un petit élément du corps, y compris le point M, à la valeur dV du volume de cet élément :

Les dimensions de l'élément considéré doivent être si petites qu'en modifiant la densité dans ses limites, des distances intermoléculaires plusieurs fois plus grandes peuvent être obtenues.

Un corps est dit homogène si la densité est la même en tous ses points. La masse d'un corps homogène est égale au produit de sa densité et de son volume :

Masse d'un corps hétérogène :

où ρ est fonction des coordonnées, et l'intégration s'effectue sur tout le volume du corps. La densité moyenne (ρ) d'un corps inhomogène est le rapport de sa masse sur son volume : (ρ)=m/V.

Le centre de masse d'un système de points matériels est appelé point C dont le rayon vecteur est égal à :

où et sont la masse et le rayon vecteur du i-ième point matériel, n est le nombre total de points matériels dans le système et m= est la masse de l'ensemble du système.

Vitesse du centre de masse :

Une quantité vectorielle égale au produit de la masse d'un point matériel et de sa vitesse est appelée quantité de mouvement, ou quantité de mouvement, de ce point matériel. L'impulsion d'un système de points matériels est le vecteur p, égal à la somme géométrique des impulsions de tous les points matériels du système :

La quantité de mouvement du système est égale au produit de la masse du système entier et de la vitesse de son centre de masse :

Deuxième loi de Newton

La loi fondamentale de la dynamique d’un point matériel est la deuxième loi de Newton, qui explique comment le mouvement mécanique d’un point matériel change sous l’influence des forces qui lui sont appliquées. La deuxième loi de Newton stipule : le taux de variation de la quantité de mouvement ρ d'un point matériel est égal à la force F agissant sur lui, c'est-à-dire

où m et v sont la masse et la vitesse du point matériel.

Si plusieurs forces agissent simultanément sur un point matériel, alors la force F dans la deuxième loi de Newton doit être comprise comme la somme géométrique de toutes les forces agissantes - réactions actives et réactionnelles, c'est-à-dire force résultante.

La quantité vectorielle F dt est appelée l'impulsion élémentaire de force F pendant un court instant dt de son action. L'impulsion de force F pendant une période de temps finie de à est égale à une certaine intégrale :

où F, en général, dépend du temps t.

Selon la deuxième loi de Newton, la variation de l'impulsion d'un point matériel est égale à l'impulsion de la force agissant sur lui :

dp = F dt et ,

Où – la valeur de l'impulsion du point matériel à la fin () et au début () de la période considérée.

Puisque en mécanique newtonienne la masse m d'un point matériel ne dépend pas de l'état de mouvement du point, alors

Par conséquent, l’expression mathématique de la deuxième loi de Newton peut également être représentée sous la forme

où est l'accélération d'un point matériel, r est son rayon vecteur. Ainsi, la formulation de la deuxième loi de Newton stipule : l'accélération d'un point matériel coïncide en direction avec la force agissant sur lui et est égale au rapport de cette force à la masse du point matériel.

Les accélérations tangentielle et normale du matériau sont déterminées par les composantes correspondantes de la force F

où est la norme du vecteur vitesse du point matériel, et R est le rayon de courbure de sa trajectoire. La force conférant une accélération normale à un point matériel est dirigée vers le centre de courbure de la trajectoire du point et est donc appelée force centripète.

Si plusieurs forces agissent simultanément sur un point matériel , puis son accélération

Où . Par conséquent, chacune des forces agissant simultanément sur un point matériel lui confère la même accélération que s'il n'y avait pas d'autres forces (principe d'indépendance de l'action des forces).

L'équation différentielle du mouvement d'un point matériel est appelée l'équation

En projections sur les axes d'un système de coordonnées cartésiennes rectangulaires, cette équation a la forme

où x, y et z sont les coordonnées du point en mouvement.

Troisième loi de Newton. Mouvement du centre de masse

L'action mécanique des corps les uns sur les autres se manifeste sous la forme de leur interaction. En témoigne la troisième loi de Newton : deux points matériels agissent l'un sur l'autre avec des forces numériquement égales et dirigées dans des directions opposées le long de la droite reliant ces points.

Si est la force agissant sur le i-ème point matériel depuis le k-ème côté, et est la force agissant sur le k-ème point matériel depuis le i-ème côté, alors, selon la troisième loi de Newton,

Les forces sont appliquées à différents points matériels et ne peuvent s'équilibrer mutuellement que dans les cas où ces points appartiennent au même corps absolument rigide.

La troisième loi de Newton est un complément essentiel aux première et deuxième lois. Il permet de passer de la dynamique d'un seul point matériel à la dynamique d'un système mécanique arbitraire (système de points matériels). De la troisième loi de Newton, il résulte que dans tout système mécanique, la somme géométrique de toutes les forces internes est égale à zéro :

où n est le nombre de points matériels inclus dans le système, et .

Le vecteur égal à la somme géométrique de toutes les forces externes agissant sur le système est appelé vecteur principal des forces externes :

où est la résultante des forces externes appliquées au i-ième point matériel.

Des deuxième et troisième lois de Newton, il s’ensuit que la dérivée première par rapport au temps t de l’impulsion p d’un système mécanique est égale au vecteur principal de toutes les forces externes appliquées au système,

Cette équation exprime la loi du changement de la quantité de mouvement du système.

Puisque , où m est la masse du système et la vitesse de son centre de masse, alors la loi du mouvement du centre de masse d'un système mécanique a la forme

, ou ,

où est l'accélération du centre de masse. Ainsi, le centre de masse d'un système mécanique se déplace comme un point matériel dont la masse est égale à la masse de l'ensemble du système et sur lequel agit une force égale au vecteur principal des forces externes appliquées au système.

Si le système considéré est un corps rigide qui se déplace en translation, alors les vitesses de tous les points du corps et de son centre de masse sont les mêmes et égales à la vitesse v du corps. En conséquence, l'accélération du corps et l'équation de base de la dynamique du mouvement de translation d'un corps rigide ont la forme

Fait valoir que dans les systèmes inertiels, l'accélération d'un corps est proportionnelle à la force appliquée, une quantité physique qui est une mesure quantitative de l'interaction. L'ampleur de la force caractérisant l'interaction des corps peut être déterminée, par exemple, par la déformation d'un corps élastique introduit en plus dans le système afin que l'interaction avec celui-ci compense complètement celle d'origine. Facteur de proportionnalité...

L'ampleur et la direction de toutes les forces agissant dans un système mécanique, ainsi que la masse des corps matériels qui le composent, ainsi que son comportement dans le temps peuvent être calculés avec une totale précision. C’est la deuxième loi de Newton qui donne à toute la mécanique classique son charme particulier : on commence à avoir l’impression que le monde physique tout entier est structuré comme le chronomètre le plus précis, et rien n’y échappe à l’œil…

195. Il y a un livre sur la table. Avec quels corps interagit-il ? Pourquoi le livre est-il au repos ?
Un livre posé sur la table interagit avec la Terre et la table. Il est au repos car ces interactions sont équilibrées.

196. L'interaction de quels corps détermine le mouvement des nuages ; une flèche tirée d'un arc ; un projectile à l'intérieur du canon d'une arme à feu lorsqu'il est tiré ; rotation des ailes d'une éolienne ?
L'interaction des gouttelettes d'eau entrant dans le nuage avec les courants d'air et la Terre.
Interagir avec la corde de l'arc, la Terre et l'air.
Interaction avec les gaz formés à la suite de l'explosion de la poudre à canon, du canon de l'arme, de sa crosse et de la Terre.
Interaction des ailes du broyeur avec le flux d'air entrant.

197. Donnez 3 à 5 noms de corps, résultant d'une interaction avec lesquels la balle peut se déplacer (ou changer la direction de son mouvement).
Pied de footballeur, raquette de tennis, club de golf, batte de baseball, flux d'air.

198. Qu'arrivera-t-il à un ressort suspendu à des fils si le fil AB qui le comprime est brûlé avec une allumette (Fig. 38) ?
L'action du fil A B sur le ressort s'arrêtera, celui-ci se desserrera et commencera à bouger.

199. Pourquoi est-il difficile pour un pompier de tenir une lance à incendie d'où jaillit de l'eau ?
En raison du phénomène de recul.

200. Pourquoi le tube se déforme-t-il lorsque l'eau en sort (Fig. 39) ?
En raison de l'interaction de l'eau qui coule et du tube, ce dernier commencera à bouger.

201. Pourquoi le tube ne dévie-t-il pas si un morceau de carton attaché au tube est placé sur le trajet de l'eau qui en sort (voir problème 200), comme le montre la figure 40 ?
L'interaction entre le tube et l'eau est équilibrée par l'interaction entre le carton et le tube, le tube reste donc au repos.

202. Pourquoi un récipient suspendu à un fil tourne-t-il lorsque l'eau s'écoule (Fig. 41) ?
Le débit d'eau s'écoulant des tubes agit sur les parois des tubes. En conséquence, le navire tourne.

203. Le flacon est suspendu à un fil (Fig. 42). Le ballon restera-t-il au repos lorsque l'eau qu'il contient bout fortement ? Expliquez le phénomène.
Non. voir n° 202.

204. Dans certains parcs, des cylindres (tambours) en bois tournant sur un axe horizontal sont installés sur les aires de jeux pour enfants. Dans quelle direction et quand l'enfant le parcourt-il ?
L'enfant est éloigné du cylindre et celui-ci se déplace dans la direction opposée.

205. Un poisson peut avancer en projetant des jets d'eau avec ses branchies. Expliquez ce phénomène.
Ce principe de mouvement est dit réactif. L'eau rejetée par les branchies du poisson agit sur le poisson qui, de ce fait, commence à bouger.

206. À quoi servent les pattes palmées chez la sauvagine ?
Les pieds palmés permettent une interaction accrue entre l’eau et l’oiseau.

207. Pourquoi la crosse du fusil doit-elle être fermement appuyée contre l'épaule lors du tir ?
Une crosse desserrée peut provoquer des blessures à l'épaule en raison du recul.

208. Pourquoi le projectile et le canon ont-ils des vitesses différentes lorsqu'ils sont tirés ?
La masse du canon est plusieurs fois supérieure à la masse du projectile et, par conséquent, la vitesse du canon sera plusieurs fois inférieure à la vitesse du projectile.

209. Un garçon saute d'une barge chargée sur le rivage. Pourquoi le mouvement de la barge dans le sens opposé au saut est-il imperceptible ?
La masse de la barge est bien supérieure à la masse du garçon et, par conséquent, la vitesse du canon est pratiquement nulle.

210. A la même distance du rivage il y a un bateau avec une charge et le même bateau sans charge. De quel bateau est-il plus facile de débarquer ? Pourquoi?
Il est plus facile de sauter d’un bateau chargé car il a plus de masse.

211. a) À l'état comprimé, le ressort sur le support est maintenu avec un fil (Fig. 43, a). Si le fil est brûlé au point A, le ressort s'envolera. Indiquez l'interaction des corps qui provoquent le mouvement du ressort.
b) Si, par exemple, une balle est d'abord placée sur le ressort, elle commencera alors à bouger. L’interaction de quels corps va provoquer le mouvement de la balle ?
c) Sur le chariot de gauche se trouve un cube en fer, à droite en bois (Fig. 43, b). Un ressort comprimé par un fil est placé entre les chariots. Si le fil est brûlé, les chariots commenceront à bouger. Quel chariot aura la vitesse la plus élevée ? Pourquoi?
a) L'interaction du ressort, du support et du fil.
b) L'interaction du ressort, du fil, de la bille et du support.
c) m1v1 = m2v2. Cela signifie qu'un chariot avec un bloc de bois gagnera plus de vitesse, car il a moins de masse.

212. Le chariot de gauche (voir problème 211, c) a acquis une vitesse de 4 cm/s, celui de droite - 60 cm/s. Quel chariot pèse le plus et combien de fois ?

213. Quelle est la masse du chariot de gauche (voir problème 212) si la masse du chariot de droite est de 50 g ?

214. Un piéton pesant 90 kg se déplace à une vitesse de 3,6 km/h et un chien pesant 7,5 kg court à une vitesse de 12 m/s. Trouvez le rapport entre les impulsions du piéton et du chien.

215. a) Une plaque d'acier est fixée à l'extrémité du ressort (Fig. 44). Le ressort est maintenu comprimé par un fil. Si vous brûlez le fil, le ressort se redresse et la plaque d'acier frappe simultanément les billes qui reposent sur la table. Les masses des billes sont égales, mais elles sont constituées de métaux différents (aluminium, plomb, acier). De quel métal sont faites la boule 1, la boule 2 et la boule 3 ? (Sur la figure, la position de chaque balle après l'impact est indiquée par une ligne pointillée.)
b) Un ressort comprimé à l'aide d'un fil est placé entre les chariots (voir Fig. 43, b). Si le fil est brûlé, à la suite de l'interaction avec le ressort, les chariots commenceront à bouger. En quoi les vitesses acquises par les chariots différeront-elles si la masse du chariot de gauche est de 7,5 kg et celle du chariot de droite de 1,5 kg ?

216. Un ressort dont les extrémités sont nouées avec un fil est placé entre les chariots comme le montre la figure 45. Il y a des récipients avec du sable sur les chariots. Lorsque le fil était brûlé, le chariot de droite acquérait une plus grande vitesse que celui de gauche. Comment cela peut-il être expliqué?
Le chariot de gauche est plus lourd que celui de droite.

217. Quelle est la masse du chariot droit (voir problème 216), s'il a acquis une vitesse 0,5 fois supérieure à celle du chariot gauche, dont la masse avec la charge est de 450 g ?

218. Le garçon choisit une corde et les bateaux se rapprochent dans le lac (Fig. 46). Lequel de deux bateaux identiques acquiert la plus grande vitesse au moment de se rapprocher ? Pourquoi?
Le bateau de gauche a une plus grande vitesse car il est plus léger que celui de droite, dans lequel est assis l'enfant.

219. Lorsque deux chariots interagissent, leurs vitesses passent à 20 et 60 cm/s. La masse du plus grand chariot est de 0,6 kg. Quelle est la masse du plus petit chariot ?

220. Les mêmes forces ont été appliquées aux balles posées sur la table pendant la même période de temps. Dans ce cas, une balle pesant 3 kg a acquis une vitesse de 15 cm/s. Quelle vitesse acquiert la balle de 1 kg ?

221. Un garçon pesant 45 kg a sauté sur le rivage depuis un bateau pneumatique stationnaire pesant 30 kg. Dans le même temps, le bateau a acquis une vitesse de 1,5 m/s par rapport au rivage. Quelle est la vitesse du garçon par rapport au bateau ?

222. Un garçon dont la masse est de 46 kg a sauté sur le rivage à une vitesse de 1,5 m/s depuis un radeau stationnaire pesant 1 tonne. Quelle vitesse le radeau a-t-il acquis par rapport au rivage ?

223. Deux corps initialement immobiles, du fait de l'interaction l'un avec l'autre, peuvent-ils acquérir des vitesses numériquement égales ?
Ils le peuvent, à condition que leurs masses soient égales.

224. L'air sous le piston de la pompe était comprimé. La masse d'air a-t-elle changé ?
La masse d'air n'a pas changé.

225. Le poids fut descendu dans un récipient rempli d'eau. La masse du poids a-t-elle changé ?
La masse du poids n'a pas changé.

226. Lors d'une compétition de tir à la corde, deux garçons tirent une corde dans des directions différentes, chacun y appliquant une force de 500 N. Une corde se brisera-t-elle si elle peut résister à une force de tension de seulement 800 N ?
Il ne se rompra pas, puisqu'une force de seulement 500 N agit sur lui.

227. La masse d'eau changera-t-elle lorsqu'une partie se transformera en glace ou en vapeur ?
Sa masse changera d’une quantité égale à la masse de glace ou de vapeur.