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Nel capitolo 2 abbiamo introdotto il concetto di forza come misura quantitativa dell'azione di un corpo su un altro.
In questo capitolo vedremo quali forze sono considerate in meccanica e come vengono determinati i loro valori.
Esistono molti tipi di forze in natura?
Elenca le forze che conosci.
Che natura hanno: gravitazionale o elettromagnetica?
A prima vista sembra che ci siamo assunti un compito impossibile e insolubile: ci sono un numero infinito di corpi sulla Terra e oltre.
Interagiscono in modi diversi.
Forze nucleari agiscono tra le particelle nei nuclei atomici e determinano le proprietà dei nuclei.
La portata delle forze nucleari è molto limitata.
Si notano solo all'interno dei nuclei atomici (cioè a distanze dell'ordine di 10 -15 m).
Già a distanze tra particelle dell'ordine di 10 -13 m (mille volte più piccole della dimensione di un atomo - 10 -10 m) non compaiono affatto.
Interazioni deboli causare trasformazioni reciproche di particelle elementari, determinare il decadimento radioattivo dei nuclei, reazioni di fusione termonucleare.
Appaiono a distanze ancora più piccole, dell'ordine di 10 -17 m.
Le forze nucleari sono le più potenti in natura.
Se l'intensità delle forze nucleari viene presa come unità, l'intensità delle forze elettromagnetiche sarà 10 -2, le forze gravitazionali - 10-40, le interazioni deboli - 10 -16.
Le interazioni forti (nucleari) e deboli si manifestano a distanze così piccole che le leggi della meccanica di Newton, e con esse il concetto di forza meccanica, perdono significato.
L'intensità delle interazioni forti e deboli è misurata in unità di energia (in elettronvolt) e non in unità di forza, e quindi l'applicazione del termine "forza" ad esse è spiegata dalla secolare tradizione di spiegare tutti i fenomeni nel mondo circostante dall’azione delle “forze” caratteristiche di ciascun fenomeno.
In meccanica considereremo solo le interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche.
Forze in meccanica.
In meccanica, di solito abbiamo a che fare con tre tipi di forze: forze gravitazionali, forze elastiche e forze di attrito.
Fonte: "Fisica - 10a elementare", 2014, libro di testo Myakishev, Bukhovtsev, Sotsky
Dinamica - Fisica, libro di testo per la 10a elementare - Fisica fantastica
Interazioni fondamentali
In natura esiste un'enorme varietà di sistemi e strutture naturali, le cui caratteristiche e sviluppo sono spiegati dall'interazione di oggetti materiali, cioè dall'azione reciproca. Esattamente l'interazione è il motivo principale del movimento della materia ed è caratteristica di tutti gli oggetti materiali, indipendentemente dalla loro origine e dalla loro organizzazione sistemica. L’interazione è universale, così come lo è il movimento. Gli oggetti interagenti si scambiano energia e quantità di moto (queste sono le caratteristiche principali del loro movimento). Nella fisica classica l'interazione è determinata dalla forza con cui un oggetto materiale agisce su un altro. Per molto tempo il paradigma è stato il concetto di azione a lungo raggio: l'interazione di oggetti materiali situati a grande distanza l'uno dall'altro e viene trasmessa istantaneamente attraverso lo spazio vuoto. Attualmente ne è stato confermato sperimentalmente un altro: concetto di interazione a corto raggio: l'interazione viene trasmessa utilizzando campi fisici con una velocità finita che non supera la velocità della luce nel vuoto. Campo fisico – tipo speciale materia che garantisce l'interazione degli oggetti materiali e dei loro sistemi (i seguenti campi: elettromagnetico, gravitazionale, campo delle forze nucleari - debole e forte). La fonte del campo fisico sono le particelle elementari (particelle cariche elettromagnetiche), nella teoria quantistica l'interazione è dovuta allo scambio di quanti di campo tra le particelle.
In natura esistono quattro interazioni fondamentali: forte, elettromagnetica, debole e gravitazionale, che determinano la struttura del mondo circostante.
Forte interazione(interazione nucleare) è l'attrazione reciproca delle parti costituenti i nuclei atomici (protoni e neutroni) e agisce a una distanza dell'ordine di 10 -1 3 cm, trasmessa dai gluoni. Dal punto di vista dell'interazione elettromagnetica, un protone e un neutrone sono particelle diverse, poiché un protone è elettricamente carico e un neutrone no. Ma dal punto di vista dell'interazione forte, queste particelle sono indistinguibili, poiché in uno stato stabile il neutrone è una particella instabile e decade in un protone, elettrone e neutrino, ma all'interno del nucleo diventa simile nelle sue proprietà a un protone, ecco perché il termine “nucleone” (dal lat. nucleo- nucleo)” e un protone con un neutrone iniziarono a essere considerati come due diversi stati del nucleone. Quanto più forte è l'interazione dei nucleoni nel nucleo, tanto più stabile è il nucleo, tanto maggiore è l'energia specifica di legame.
In una sostanza stabile, l'interazione tra protoni e neutroni aumenta a temperature non troppo elevate, ma se si verifica una collisione di nuclei o loro parti (nucleoni ad alta energia), si verificano reazioni nucleari, accompagnate dal rilascio di un'enorme energia.
In determinate condizioni, una forte interazione lega molto saldamente le particelle nei nuclei atomici - sistemi materiali con elevata energia legante. È per questo motivo che i nuclei degli atomi sono molto stabili e difficili da distruggere.
Senza interazioni forti, i nuclei atomici non esisterebbero e le stelle e il Sole non sarebbero in grado di generare calore e luce utilizzando l’energia nucleare.
Interazione elettromagnetica trasmesso utilizzando campi elettrici e magnetici. In presenza di cariche elettriche si crea un campo elettrico e quando queste si muovono si crea un campo magnetico. Un campo elettrico variabile genera un campo magnetico alternato: questa è la fonte del campo magnetico alternato. Questo tipo di interazione è caratteristico delle particelle caricate elettricamente. Il portatore dell'interazione elettromagnetica è un fotone privo di carica, un quanto del campo elettromagnetico. Nel processo di interazione elettromagnetica, gli elettroni e i nuclei atomici si combinano in atomi e gli atomi in molecole. In un certo senso questa interazione è fondamentale in chimica e biologia.
Riceviamo circa il 90% delle informazioni sul mondo che ci circonda attraverso un'onda elettromagnetica, poiché vari stati della materia, attrito, elasticità, ecc. sono determinati dalle forze di interazione intermolecolare, che sono di natura elettromagnetica. Le interazioni elettromagnetiche sono descritte dalle leggi di Coulomb, Ampere e dalla teoria elettromagnetica di Maxwell.
L'interazione elettromagnetica è la base per la creazione di vari apparecchi elettrici, radio, televisori, computer, ecc. È circa mille volte più debole di uno forte, ma ha un raggio d'azione molto più lungo.
Senza Nelle interazioni elettromagnetiche non ci sarebbero atomi, molecole, macro-oggetti, calore e luce.
3. Interazione debole forse tra varie particelle, ad eccezione del fotone, è a corto raggio e si manifesta a distanze inferiori alla dimensione del nucleo atomico 10 -15 - 10 -22 cm L'interazione debole è più debole dell'interazione forte e procedono processi con interazione debole più lentamente che con una interazione forte. Responsabile del decadimento delle particelle instabili (ad esempio, la trasformazione di un neutrone in protone, elettrone, antineutrino). È a causa di questa interazione che la maggior parte delle particelle sono instabili. I portatori di interazione debole sono gli ioni, particelle con una massa 100 volte maggiore della massa di protoni e neutroni. A causa di questa interazione, il Sole brilla (un protone si trasforma in neutrone, positrone, neutrino, il neutrino emesso ha un'enorme capacità di penetrazione).
Senza interazioni deboli, le reazioni nucleari nelle profondità del Sole e delle stelle non sarebbero possibili e non sorgerebbero nuove stelle.
4. Interazione gravitazionale il più debole, non viene preso in considerazione nella teoria delle particelle elementari, poiché a distanze caratteristiche (10 -13 cm) gli effetti sono piccoli, e a distanze ultrapiccole (10 -33 cm) e ad energie ultraelevate, la gravità diventa importante e le proprietà insolite del vuoto fisico cominciano ad apparire.
Gravità (dal latino gravitas - "gravità") - l'interazione fondamentale è a lungo raggio (questo significa che non importa quanto massiccio si muova un corpo, in qualsiasi punto dello spazio il potenziale gravitazionale dipende solo dalla posizione del corpo in un dato punto) momento nel tempo) e tutti i corpi materiali sono soggetti ad esso. Fondamentalmente la gravità gioca un ruolo decisivo su scala cosmica, il Megamondo.
Nell'ambito della meccanica classica viene descritta l'interazione gravitazionale legge di gravitazione universale Newton, il quale afferma che la forza di attrazione gravitazionale tra due punti materiali di massa M 1 e M 2 separati dalla distanza R, C'è
Dove G- costante gravitazionale.
Senza interazioni gravitazionali non esisterebbero galassie, stelle, pianeti o evoluzione dell'Universo.
Il tempo durante il quale avviene la trasformazione delle particelle elementari dipende dalla forza dell'interazione (con l'interazione forte, le reazioni nucleari si verificano entro 10 -24 - 10 -23 s., con i cambiamenti elettromagnetici - si verificano entro 10 -19 - 10 -21 s. , con debole disintegrazione entro 10 -10 s.).
Tutte le interazioni sono necessarie e sufficienti per la costruzione di un mondo materiale complesso e diversificato, dal quale, secondo gli scienziati, si possono ottenere superpotenza(a molto alte temperature o energie, tutte e quattro le interazioni sono combinate uno).
È necessario conoscere il punto di applicazione e la direzione di ciascuna forza. È importante essere in grado di determinare quali forze agiscono sul corpo e in quale direzione. La forza è indicata come , misurata in Newton. Per distinguere le forze, queste sono designate come segue
Di seguito sono elencate le principali forze che operano in natura. È impossibile inventare forze che non esistono quando si risolvono i problemi!
Ci sono molte forze in natura. Qui consideriamo le forze che vengono prese in considerazione nel corso di fisica scolastica quando si studia la dinamica. Vengono menzionate anche altre forze, che saranno discusse in altre sezioni.
Gravità
Ogni corpo sul pianeta è influenzato dalla gravità terrestre. La forza con cui la Terra attrae ciascun corpo è determinata dalla formula
Il punto di applicazione è al centro di gravità del corpo. Gravità sempre diretto verticalmente verso il basso.
Forza di attrito
Facciamo conoscenza con la forza di attrito. Questa forza si verifica quando i corpi si muovono e due superfici entrano in contatto. La forza si verifica perché le superfici, se viste al microscopio, non sono così lisce come appaiono. La forza di attrito è determinata dalla formula:
La forza viene applicata nel punto di contatto di due superfici. Diretto nella direzione opposta al movimento.
Forza di reazione al suolo
Immaginiamo un oggetto molto pesante steso su un tavolo. Il tavolo si piega sotto il peso dell'oggetto. Ma secondo la terza legge di Newton, il tavolo agisce sull'oggetto esattamente con la stessa forza dell'oggetto sul tavolo. La forza è diretta in modo opposto alla forza con cui l'oggetto preme sul tavolo. Cioè, su. Questa forza è chiamata reazione del terreno. Il nome della forza "parla" il supporto reagisce. Questa forza si verifica ogni volta che si verifica un impatto sul supporto. La natura della sua comparsa a livello molecolare. L'oggetto sembrava deformare la posizione e le connessioni abituali delle molecole (all'interno del tavolo), queste, a loro volta, si sforzano di tornare al loro stato originale, "resistere".
Assolutamente qualsiasi corpo, anche molto leggero (ad esempio, una matita appoggiata su un tavolo), deforma il supporto a livello micro. Pertanto, si verifica una reazione di terra.
Non esiste una formula speciale per trovare questa forza. È designato dalla lettera , ma questo potere è semplicemente specie separate forza elastica, quindi può essere designato come
La forza viene applicata nel punto di contatto dell'oggetto con il supporto. Diretto perpendicolarmente al supporto.
Poiché il corpo è rappresentato come un punto materiale, la forza può essere rappresentata dal centro
Forza elastica
Questa forza nasce come risultato della deformazione (cambiamento nello stato iniziale della sostanza). Ad esempio, quando allunghiamo una molla, aumentiamo la distanza tra le molecole del materiale della molla. Quando comprimiamo una molla, la riduciamo. Quando giriamo o spostiamo. In tutti questi esempi si verifica una forza che impedisce la deformazione: la forza elastica.
La legge di Hooke
La forza elastica è diretta in senso opposto alla deformazione.
Poiché il corpo è rappresentato come un punto materiale, la forza può essere rappresentata dal centro
Quando si collegano le molle in serie, ad esempio, la rigidezza viene calcolata utilizzando la formula
Quando collegato in parallelo, la rigidità
Rigidità del campione. Modulo di Young.
Il modulo di Young caratterizza le proprietà elastiche di una sostanza. Si tratta di un valore costante che dipende solo dal materiale e dal suo stato fisico. Caratterizza la capacità di un materiale di resistere alla deformazione a trazione o compressione. Il valore del modulo di Young è tabellare.
Maggiori informazioni sulle proprietà solidi.
Peso corporeo
Il peso corporeo è la forza con cui un oggetto agisce su un supporto. Dici che questa è la forza di gravità! La confusione sta nel fatto che, infatti, spesso il peso di un corpo è uguale alla forza di gravità, ma queste forze sono completamente diverse. La gravità è una forza che nasce come risultato dell'interazione con la Terra. Il peso è il risultato dell'interazione con il supporto. La forza di gravità si applica al baricentro dell'oggetto, mentre il peso è la forza che si applica al supporto (non all'oggetto)!
Non esiste una formula per determinare il peso. Questa forza è designata dalla lettera.
La forza di reazione al sostegno o forza elastica nasce in risposta all'impatto di un oggetto sulla sospensione o sul sostegno, quindi il peso del corpo è sempre numericamente uguale alla forza elastica, ma ha verso opposto.
La forza di reazione al supporto e il peso sono forze della stessa natura; secondo la 3a legge di Newton, sono uguali e dirette in modo opposto. Il peso è una forza che agisce sul supporto, non sul corpo. La forza di gravità agisce sul corpo.
Il peso corporeo potrebbe non essere uguale alla gravità. Può essere più o meno, oppure può darsi che il peso sia zero. Questa condizione è chiamata assenza di gravità. L'assenza di gravità è uno stato in cui un oggetto non interagisce con un supporto, ad esempio lo stato di volo: c'è gravità, ma il peso è zero!
È possibile determinare la direzione dell'accelerazione se si determina dove è diretta la forza risultante
Tieni presente che il peso è la forza, misurata in Newton. Come rispondere correttamente alla domanda: “Quanto pesi”? Rispondiamo 50 kg, non nominando il nostro peso, ma la nostra massa! In questo esempio, il nostro peso è uguale alla gravità, ovvero circa 500 N!
Sovraccarico- rapporto tra peso e gravità
La forza di Archimede
La forza nasce come risultato dell'interazione di un corpo con un liquido (gas), quando è immerso in un liquido (o gas). Questa forza spinge il corpo fuori dall'acqua (gas). Pertanto, è diretto verticalmente verso l'alto (spinge). Determinato dalla formula:
Nell'aria trascuriamo la potenza di Archimede.
Se la forza di Archimede è uguale alla forza di gravità, il corpo galleggia. Se la forza di Archimede è maggiore, sale sulla superficie del liquido, se è minore affonda.
Forze elettriche
Esistono forze di origine elettrica. Avviene in presenza di una carica elettrica. Queste forze, come la forza di Coulomb, la forza di Ampere, la forza di Lorentz, sono discusse in dettaglio nella sezione Elettricità.
Designazione schematica delle forze agenti su un corpo
Spesso un corpo viene modellato come un punto materiale. Pertanto, nei diagrammi, vari punti di applicazione vengono trasferiti in un punto, al centro, e il corpo viene rappresentato schematicamente come un cerchio o un rettangolo.
Per designare correttamente le forze, è necessario elencare tutti i corpi con cui interagisce il corpo oggetto di studio. Determina cosa succede come risultato dell'interazione con ciascuno: attrito, deformazione, attrazione o forse repulsione. Determinare il tipo di forza e indicare correttamente la direzione. Attenzione! La quantità di forze coinciderà con il numero di corpi con cui avviene l'interazione.
La cosa principale da ricordare
Forze di attrito
Esistono attriti esterni (secchi) ed interni (viscosi). L'attrito esterno si verifica tra superfici solide in contatto, l'attrito interno si verifica tra strati di liquido o gas durante il loro movimento relativo. Esistono tre tipi di attrito esterno: attrito statico, attrito radente e attrito volvente.
L'attrito volvente è determinato dalla formula
La forza di resistenza si verifica quando un corpo si muove in un liquido o in un gas. L'entità della forza di resistenza dipende dalle dimensioni e dalla forma del corpo, dalla velocità del suo movimento e dalle proprietà del liquido o del gas. A basse velocità di movimento, la forza di trascinamento è proporzionale alla velocità del corpo
Alle alte velocità è proporzionale al quadrato della velocità
La relazione tra gravità, legge di gravità e accelerazione di gravità
Consideriamo l'attrazione reciproca di un oggetto e della Terra. Tra di loro, secondo la legge di gravità, nasce una forza 
Ora confrontiamo la legge di gravità e la forza di gravità 
L'entità dell'accelerazione dovuta alla gravità dipende dalla massa della Terra e dal suo raggio! Pertanto, è possibile calcolare con quale accelerazione cadranno gli oggetti sulla Luna o su qualsiasi altro pianeta, utilizzando la massa e il raggio di quel pianeta.
La distanza dal centro della Terra ai poli è inferiore a quella all'equatore. Pertanto, l'accelerazione di gravità all'equatore è leggermente inferiore che ai poli. Allo stesso tempo, va notato che la ragione principale della dipendenza dell'accelerazione di gravità dalla latitudine dell'area è il fatto della rotazione della Terra attorno al proprio asse.
Quando ci allontaniamo dalla superficie terrestre, la forza di gravità e l'accelerazione di gravità cambiano in proporzione inversa al quadrato della distanza dal centro della Terra.
Quali forze della natura sono chiamate fondamentali? Su quale principio si basano le interazioni fondamentali? È possibile che esista una nuova interazione fondamentale? Il dottore in scienze fisiche e matematiche Dmitry Kazakov risponde a queste e ad altre domande.
Dalla fisica scolastica ci imbattiamo nel concetto di “forza”. Esistono diverse forze: c'è la forza di attrazione, la forza di attrito, la forza di rotolamento, la forza di elasticità. Ci sono molte forze diverse. Non tutte queste forze sono fondamentali: molto spesso la forza è un fenomeno secondario. Ad esempio, la forza di attrito è un fenomeno secondario: in realtà è l'interazione delle molecole. E anche l'interazione delle molecole può essere secondaria. Ad esempio, nella fisica molecolare esistono le forze di van der Waals. Queste forze sono una conseguenza secondaria delle interazioni elettromagnetiche.
Vorrei andare a fondo della forza più fondamentale: quali sono le forze fondamentali in natura che determinano tutto, da cui sono costruite tutte le forze secondarie? Le forze elettromagnetiche, o forze elettriche, sono le interazioni fondamentali come le intendiamo ora. La legge di Coulomb, conosciuta fin dai tempi della fisica scolastica, è una legge fondamentale, ma ha una sua generalizzazione; deriva dalle equazioni di Maxwell. Le equazioni di Maxwell descrivono generalmente tutte le forze elettriche e magnetiche presenti in natura, pertanto le interazioni elettromagnetiche sono forze fondamentali della natura.
Un altro esempio delle forze fondamentali della natura è la gravità. La legge della gravitazione universale di Newton è nota fin dai tempi della scuola, che ora è stata generalizzata nelle equazioni di Einstein: ora abbiamo la teoria della gravitazione di Einstein. Anche la forza di gravità è un'interazione fondamentale in natura. E una volta sembrava che esistessero solo queste due forze fondamentali. Ma più tardi ci siamo resi conto che non era così. In particolare, quando fu scoperto il nucleo atomico e sorse il problema di capire perché le particelle fossero trattenute all'interno del nucleo e non si allontanassero, fu introdotto il concetto di forze nucleari. Queste forze nucleari sono state misurate, comprese, descritte. Ma in seguito si è scoperto che sono anche non fondamentali: le forze nucleari in un certo senso assomigliano alle forze di van der Waals.
Le forze veramente fondamentali che forniscono l'interazione forte sono le forze tra i quark. interagiscono tra loro e, come effetto secondario, protoni e neutroni nel nucleo interagiscono tra loro. La forza fondamentale è l'interazione dei quark attraverso lo scambio di gluoni: questa è la terza forza fondamentale in natura.
Ma la storia non finisce neanche qui. Si scopre che il decadimento delle particelle elementari - e tutte le particelle pesanti decadono in particelle più leggere - sono descritti da una nuova interazione, chiamata interazione debole. Debole: perché la forza di questa interazione è notevolmente più debole delle forze elettromagnetiche. Ma si è scoperto che la teoria dell'interazione debole, che originariamente esisteva e descriveva molto bene tutti i decadimenti, non funzionava bene con l'aumento dell'energia, ed è stata sostituita da una nuova teoria dell'interazione debole, che si è rivelata completamente universale e costruita sullo stesso principio su cui si costruiscono tutte le altre interazioni.
IN mondo moderno Le interazioni fondamentali sono quattro; vi parlerò anche della quinta.
Le quattro interazioni fondamentali – elettromagnetica, forte, debole e gravitazionale – si basano su un unico principio.
Questo principio è che la forza tra le particelle nasce dallo scambio di un mediatore, portatore di interazione.
L'interazione elettromagnetica si basa sullo scambio di un quanto di luce o di un quanto di onde elettromagnetiche: questo è un fotone. Un fotone è una particella senza massa, le particelle cariche lo scambiano e, a causa di questo scambio, si verificano interazioni tra particelle, forza tra particelle, anche la legge di Coulomb è descritta in questo modo.
Un'altra interazione è forte. Esiste anche un intermediario, una particella che viene scambiata tra i quark. Queste particelle sono chiamate gluoni, ce ne sono otto, anche queste sono particelle prive di massa.
La terza particella, la terza interazione è l'interazione debole, e anche qui particelle chiamate bosoni vettoriali intermedi fungono da mediatori. Queste particelle - le loro cose - sono massicce, cioè piuttosto pesanti. Questa massa, la pesantezza di queste particelle, spiega perché l'interazione debole è così debole.
La quarta interazione è gravitazionale e si realizza scambiando un quanto del campo gravitazionale, così si chiama. Il gravitone non è stato ancora scoperto sperimentalmente, non lo sentiamo ancora del tutto e non siamo del tutto in grado di descriverlo.
Tutte le interazioni sono un atto di scambio di alcune particelle. Qui torniamo a. Ogni interazione è associata alla simmetria. La simmetria ci dice quante particelle di questo tipo esistono e qual è la loro massa. Se la simmetria è esatta, la massa è zero. Il fotone ha massa 0, il gluone ha massa 0. Se la simmetria è rotta, la massa è diversa da zero. I bosoni vettori intermedi hanno massa diversa da zero, dove la simmetria è rotta. La simmetria gravitazionale non è rotta: anche il gravitone ha massa 0.
Queste quattro interazioni fondamentali spiegano tutto ciò che vediamo. Tutte le altre forze sono un effetto secondario di queste interazioni. Ma nel 2012 è stata scoperta una nuova particella che è diventata molto famosa: la cosiddetta . Il bosone di Higgs è anche portatore dell'interazione tra quark e tra leptoni. Pertanto, ora è appropriato dire che è apparsa una quinta forza, il cui portatore è il bosone di Higgs. Anche qui la simmetria è rotta: il bosone di Higgs è una particella massiccia. Pertanto, il numero di interazioni fondamentali - nella fisica delle particelle la parola viene solitamente utilizzata non "forza", ma "interazione" - ha raggiunto cinque.
Ci sono nuove interazioni? Non lo sappiamo davvero. Nella fisica delle particelle non esistono altre interazioni, ce ne sono solo cinque. Ma è possibile che il modello che stiamo considerando e che descrive perfettamente tutti i dati sperimentali e tutti i fenomeni che osserviamo nel mondo possa essere ancora incompleto, e quindi, forse, appariranno nuove forze e nuove interazioni. Ad esempio, se esistono i cosiddetti , cioè se esiste una nuova simmetria in natura, allora questa nuova simmetria comporterà la comparsa di nuove particelle che sono intermediari tra altre particelle, creando così una nuova forza fondamentale. Pertanto, questa possibilità rimane ancora.
È interessante notare che ogni nuova interazione porta sempre a qualche nuovo fenomeno. Diciamo che se non ci fosse l'interazione debole, non ci sarebbe decadimento. Se non ci fosse il decadimento, non osserveremmo le reazioni nucleari. Se non ci fossero reazioni nucleari, il Sole non brillerebbe. Se il Sole non splendesse, la vita non potrebbe esistere sulla Terra. Quindi avere questa interazione si è rivelato vitale per noi.
Senza l’interazione forte non esisterebbero nuclei atomici stabili. Se non ci fossero i nuclei, non ci sarebbero gli atomi. Se non ci fossero gli atomi non esisteremmo noi. Cioè, si è scoperto che tutte le forze sembravano essere necessarie. Ecco l'interazione elettromagnetica: riceviamo energia dal Sole - questi sono raggi di luce che ci arrivano dal Sole. Senza di essa, la Terra sarebbe fredda. Si scopre che tutte quelle interazioni che conosciamo sono necessarie per qualcosa. Interazione di Higgs con il bosone di Higgs. Le particelle fondamentali guadagnano massa a causa dell'interazione con il campo di Higgs: neanche senza di questo non si può vivere. Non sto parlando di interazione gravitazionale: voleremmo via dalla superficie del pianeta.
Tutte le interazioni che esistono in natura, che ora vengono scoperte, sono vitali per tutto ciò che comprendiamo e sappiamo che esiste.
Cosa accadrebbe se ci fosse qualche nuova interazione che non è stata ancora scoperta? Ecco un altro esempio: il protone nel nucleo è stabile, ed è molto importante che sia stabile, altrimenti, ancora una volta, non ci sarebbe vita. Ma sperimentalmente, la vita di un protone è ora limitata: 1034 anni. Ciò significa che non esiste alcun divieto per il protone di decadere, ma ciò richiede una nuova forza e una nuova interazione. Esistono teorie che prevedono il decadimento del protone: hanno un gruppo di simmetria più elevato e hanno nuove interazioni che non conosciamo. Se sia così è una questione da sperimentare.
Tutte le interazioni fondamentali sono ora costruite su un unico principio e in questo senso esiste un'unità della natura. A volte sorge la domanda: è possibile spiegare in qualche modo quante interazioni ci sono in natura, cioè capire il motivo per cui sono quattro o perché sono cinque, o magari sono di più? Esistono diverse versioni di come si possa spiegare la presenza di un certo numero di interazioni fondamentali. Tali teorie sono spesso chiamate teorie della Grande Unificazione. Queste teorie si combinano diversi tipi interazioni in una sola. Ricorda un albero in crescita: c'è un unico tronco, poi si ramifica e si ottengono rami diversi.
L'idea è più o meno la stessa: c'è un'unica radice di tutte le interazioni, un unico tronco, e poi, come risultato della rottura della simmetria, questo tronco inizia a ramificarsi e si formano diverse interazioni fondamentali, che osserviamo sperimentalmente. Testare questa ipotesi richiede la fisica ad energie molto elevate, che sono inaccessibili agli esperimenti moderni e probabilmente non lo saranno mai. Ma puoi aggirare questo problema. Dopotutto, abbiamo un acceleratore naturale: l'Universo. Alcuni processi che avvengono nell'Universo ci permettono di verificare l'ipotesi audace secondo cui esiste un'unica radice di tutte le interazioni.
Un'altra sfida molto interessante nella comprensione delle interazioni in natura è capire come la gravità si collega a tutte le altre interazioni. La gravità si distingue in qualche modo, sebbene il principio su cui si basa la teoria sia molto simile. Un tempo, Einstein cercò di costruire una teoria unificata della gravità e dell'elettromagnetismo. All’epoca sembrava molto reale, ma la teoria non venne mai realizzata. Adesso ne sappiamo un po' di più. Sappiamo che esiste anche un'interazione forte, un'interazione debole, quindi, se ora stiamo costruendo una teoria unificata, sembrerebbe che dovremmo includere tutte queste interazioni insieme, ma tuttavia una teoria così unificata non è stata ancora creata, e non possiamo ancora combinare la gravità con altre interazioni. Tutte le interazioni, tranne la gravità, obbediscono alle leggi della fisica quantistica: questa è la teoria quantistica. Tutte le particelle sono quanti di un certo campo. La gravità quantistica non esiste ancora e non può ancora essere creata. Qual è la ragione, cosa stiamo facendo di sbagliato, cosa non capiamo: tutto questo rimane ancora un mistero. Ma il numero di interazioni fondamentali già scoperte suggerisce che probabilmente esiste una sorta di modello unificato.
>>Fisica: Forze della natura. Forze gravitazionali
Scopriamo innanzitutto se in natura esistono molti tipi di forze.
A prima vista sembra che ci siamo assunti un compito impossibile e insolubile: ci sono un numero infinito di corpi sulla Terra e oltre. Interagiscono in modi diversi. Quindi, ad esempio, una pietra cade sulla Terra; una locomotiva elettrica traina un treno; il piede del calciatore colpisce la palla; un bastoncino di ebanite strofinato sulla pelliccia attira leggeri pezzi di carta, una calamita attira la limatura di ferro; il conduttore percorso da corrente fa girare l'ago della bussola; La Luna e la Terra interagiscono e insieme interagiscono con il Sole; stelle e sistemi stellari interagiscono, ecc. Non c'è fine a questi esempi. Sembra che ci siano un numero infinito di interazioni (forze) in natura? Si scopre che no!
Quattro tipi di forze. Nelle sconfinate distese dell'Universo, sul nostro pianeta, in qualsiasi sostanza, negli organismi viventi, negli atomi, nei nuclei atomici e nel mondo delle particelle elementari, incontriamo la manifestazione di soli quattro tipi di forze: gravitazionale, elettromagnetica, forte (nucleare) e debole.
Forze gravitazionali, o le forze di gravità universale, agiscono tra tutti i corpi: tutti i corpi sono attratti l'uno dall'altro. Ma questa attrazione è solitamente significativa solo quando almeno uno dei corpi interagenti è grande quanto la Terra o la Luna. Altrimenti, queste forze sono così piccole che possono essere trascurate.
Forze elettromagnetiche agiscono tra particelle dotate di carica elettrica. Il loro campo d’azione è particolarmente ampio e variegato. Negli atomi, nelle molecole, nei corpi solidi, liquidi e gassosi, negli organismi viventi, sono le forze elettromagnetiche le principali. Il loro ruolo negli atomi è eccezionale.
Scopo forze nucleari molto limitato. Si notano solo all'interno dei nuclei atomici (cioè a distanze dell'ordine di 10 -13 cm). Già a distanze tra particelle dell'ordine di 10 -11 cm (mille volte più piccole della dimensione di un atomo - 10 -8 cm) non compaiono affatto.
Interazioni deboli compaiono a distanze ancora più piccole, dell'ordine di 10 -15 cm, provocano trasformazioni reciproche delle particelle elementari, determinano il decadimento radioattivo dei nuclei e reazioni di fusione termonucleare.
Le forze nucleari sono le più potenti in natura. Se l'intensità delle forze nucleari viene presa come unità, l'intensità delle forze elettromagnetiche sarà 10 -2, le forze gravitazionali - 10 -40, le interazioni deboli - 10 -16.
Le interazioni forti (nucleari) e deboli si manifestano a distanze così piccole che le leggi della meccanica di Newton, e con esse il concetto di forza meccanica, perdono significato.
In meccanica considereremo solo le interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche.
Forze in meccanica. In meccanica, di solito abbiamo a che fare con tre tipi di forze: forze gravitazionali, forze elastiche e forze di attrito.
Le forze di elasticità e attrito sono di natura elettromagnetica. Non spiegheremo qui l'origine di queste forze; con l'aiuto di esperimenti sarà possibile scoprire le condizioni in cui si presentano queste forze ed esprimerle quantitativamente.
In natura esistono quattro tipi di interazioni. In meccanica vengono studiate le forze gravitazionali e due tipi di forze elettromagnetiche: forze elastiche e forze di attrito.
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fisica 10a elementare
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