Притяжение и отталкивание. Закон обратных квадратов

Многим людям кажутся чрезвычайно загадочными силы природы, действующие на тела на больших расстояниях, даже через пустое пространство, без каких-либо видимых материальных посредников между источником силы и объектом ее действия. Данное явление часто называют «дальнодействием». Существует несколько фундаментальных сил природы, действующих таким образом: гравитационные, магнитные и электрические силы. Другие фундаментальные силы действуют только на малых расстояниях - в пределах атомного ядра.

В 1798 г. Генри Кавендиш измерил массу Земли с помощью крутильных весов с кварцевой нитью, где два маленьких свинцовых шарика притягивались двумя большими свинцовыми шарами. Сила притяжения шаров друг к другу рассчитывалась по величине угла отклонения шариков. Сравнивая эту силу с гравитационным притяжением больших шаров к Земле (т. е. с их весом), Кавендиш нашел массу Земли.

Закон обратных квадратов. Гравитационная и электрическая силы подчиняются общему закону, который показывает, как они зависят от определенных параметров взаимодействующих тел и расстояния между ними. Это так называемый закон обратных квадратов. Он гласит: если расстояние между телами удваивается, то сила их взаимодействия уменьшается в четыре раза и т.д.

Исаак Ньютон, производя расчеты скорости движения Луны по орбите вокруг Земли, впервые установил, что этот закон справедлив для гравитационной силы. Закон тяготения Ньютона утверждает, что сила притяжения двух тел пропорциональна произведению их масс, деленному на квадрат расстояния между ними, причем эта сила действует на оба тела равным образом, но в противоположных направлениях.

Примерно сто лет спустя-в 1798 г-Генри Кавендиш (1731-1810), используя теорию тяготения, впервые оценил массу Земли. Он также предложил один из лучших способов экспериментальной проверки (1785) применимости закона обратных квадратов для описания взаимодействия электростатических (покоящихся электрических) зарядов. В 1870 г. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) показал, что закон обратных квадратов выполняется в случае электрических взаимодействий с точностью до ¹/₂₀₀₀₀ - Современные методы исследования позволили установить, что закон выполняется с точностью до одной миллиардной.

Область пространства, в которой одно тело оказывает заметное влияние на другое (обычно вызывая его движение), принято называть полем силы. Направления, вдоль которых происходит движение, называются силовыми линиями. Это не действительные, а всего лишь воображаемые «линии» в пространстве, служащие для удобства описания возможных направлений движения тела в поле. Силовые линии исходят из тела - источника силы.

Чтобы тележка на «американских горах» могла достичь вершины самой большой «горы», она должна обладать энергией, необходимой для преодоления гравитационного притяжения Земли. Поднявшись на «гору», тележка при обретает потенциальную энергии, которая затем превращается в кинетическую энергию, поскольку тележка свободно движется вниз по колее. Согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия тележки у подножия «холма» должна быть равна ее потенциальной энергии на вершине. Однако в результате трения тележки о колею часть кинетической энергии теряется, превращаясь в тепло. Поэтому остающаяся у тележки энергия позволяет ей подниматься после каждого спуска лишь на вершину меньшей высоты. Чтобы тележка могла достичь прежней Высоты, ей нужно сообщить дополнительную энергию.

Гравитационная и магнитная силы. Любое тело, обладающее массой, пусть даже самой малой, служит источником гравитационного поля. Гравитационная сила всегда имеет один и тот же знак, поскольку масса всех тел положительна. Сила гравитации является силой притяжения, и этот знак принято считать отрицательным. Положительное значение силы означало бы отталкивание.

Именно гравитационное притяжение «придает» вес телам, находящимся на Земле, притягивая их к центру Земли, и удерживает планеты на орбите вокруг Солнца. При определенных условиях гравитационная сила может быть уравновешена какой-то иной силой, равной по величине и противоположной по направлению,-тогда достигается состояние невесомости. Чаще всего этой другой силой является центробежная сила, возникающая, например, при движении спутника по орбите. В результате тела внутри такого спутника свободно плавают.

С магнитной силой все мы сталкиваемся, наблюдая за работой компаса. Эта сила также действует на больших расстояниях, хотя она может проявляться и как притяжение, и как отталкивание. В этом легко убедиться, взяв два простых постоянных магнита. Два конца, или «полюса», магнита различаются между собой и называются северным и южным. Нетрудно сразу же заметить, что одноименные полюсы (два северных или два южных) отталкиваются, тогда как разноименные-притягиваются. Это основное свойство магнитов.

По историческим причинам разным полюсам магнита даны условные названия «северный» и «южный». Северным полюсом магнита называют тот, который всегда указывает на Северный полюс Земли, где на самом деле расположен южный полюс «земного магнита».

Электрическая сила, как и магнитная, может быть и силой притяжения, и силой отталкивания, поскольку ее источники-электрические заряды - бывают как положительными, так и отрицательными. Но независимо от того, является ли электрическая сила силой отталкивания или силой притяжения, она, как и сила гравитации, подчиняется закону обратных квадратов.

Намагниченное вещество создает поле. Его силовые линии отмечают пути, по которым перемещался бы единичный северный магнитный полюс. Железные опилки на листе бумаги, помещенном между двумя магнитами, демонстрируют силовые линии как в случае притяжения (А), так и отталкивания (Б) магнитных полюсов. Маленькие стрелки компаса располагаются вдоль силовых линий так, что их северный полюс указывает направление поля (В).

Что такое электрический заряд. Каждый электрический заряд составляет целое кратное некоего единичного заряда, равного по величине элементарному заряду - заряду электрона. Этот факт был установлен в 1909 г. американским физиком Робертом Милликеном (1868-1953). Однако о двузначности электрического заряда знали еще древние греки, и она обнаруживается в опытах со статическим электричеством. Если стеклянную палочку натереть шелком, то предметы к ней притягиваются, а если натереть шелком две стеклянные палочки, то они отталкиваются друг от друга. Каждая палочка при этом приобретает некоторый положительный электрический заряд, тогда как шелк при трении о поверхность палочки собирает излишек электронов и становится отрицательно заряженным.

Электрические силы, действующие на атомном и молекулярном уровнях, создают силы сцепления, которые удерживают молекулы внутри вещества, обеспечивая его форму и прочность. В состоянии равновесия действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания первые «скрепляют» вещество, вторые же эффективно препятствуют слиянию атомов, удерживая их на определенном расстоянии друг от друга. Одно из ярких проявлений сил сцепления наблюдается в жидкости. Поскольку на каждый атом со всех сторон действуют одинаковые силы, внутри объема жидкости результирующая сила равна нулю. Однако на поверхности жидкости действует нескомпенсированная сила, которая стремится втянуть молекулы жидкости внутрь ее объема. В результате поверхность жидкости ведет себя так, словно на нее натянута упругая пленка. Эффект поверхностного натяжения позволяет некоторым насекомым - типа жуков- плавунцов или москитов - скользить по поверхности пруда, не «проваливаясь» в воду.