Гравитационные и электрические силы

Четыре фундаментальных взаимодействия постоянно происходят вокруг нас в каждый момент по всей Вселенной. В этой статье мы рассмотрим определения и примеры двух из четырех фундаментальных сил: гравитационной силы и электрической силы.

Что такое гравитационные и электрические силы?

Два наиболее известных взаимодействия, которые управляют Вселенной, какой мы ее знаем, - это гравитационная сила и электрическая сила.

Гравитационные и электрические силы - это два из четырех основных физических взаимодействий, которые испытывают массы во Вселенной. Эти силы влияют на движение, поведение и структуру частиц в разных масштабах.

Знание того, почему оба являются основополагающими, поможет вам лучше понять многие другие темы в физике — давайте углубимся в детали этих сил.

Определение гравитационной силы

Гравитационная сила, вероятно, является силой, которую вы знаете лучше всего: она удерживает все объекты на поверхности Земли на земле, ускоряет телефон, который вы уронили на пол, и удерживает все орбитальные тела в нашей Солнечной системе вместе. Это также самая слабая сила.

Гравитационная сила является классическим объяснением притяжения всех масс друг к другу во Вселенной на бесконечных расстояниях.

Гравитационное взаимодействие всегда притягивает массы друг к другу. Почему? Гравитация не имеет положительной или отрицательной составляющей, как заряды протонов, электронов и других частиц. Поскольку сама масса всегда положительна, гравитационная сила всегда притягивается. Если бы масса могла иметь отрицательное значение, мы бы увидели гравитационные поля, которые отталкивают другие массы, но вселенная с этими законами может оказаться не той, в которой мы могли бы выжить!

Вероятно, вы слышали термин “гравитационное поле” в прошлом и задавались вопросом, чем это отличается от определения гравитационной силы. Гравитационные поля - это еще один термин, с которым вы столкнетесь при изучении фундаментальных сил.

Гравитационное поле - это векторное поле вокруг массы, которое описывает величину и направление гравитации, если бы мы поместили очень маленькую массу где-нибудь в этом поле.

Теперь, когда мы углубились в наше понимание гравитационной силы, давайте погрузимся в знаменитое уравнение, управляющее этим фундаментальным взаимодействием.

Уравнение гравитационной силы

Закон всемирного тяготения Ньютона, уравнение для гравитационной силы, действующей между двумя объектами с массой, записывается как:

Fg=G*m1m2/r2

Гравитационная постоянная - это постоянная пропорциональности для всех гравитационных сил и полей во Вселенной.

Гравитационная сила одинакова по величине для обоих объектов — оба объекта гравитационно притягивают друг друга. Используя массу Земли и массу вашего собственного тела в качестве примера, сила, которую вы оказываете на планету, равна силе, которую планета оказывает на вас!

Когда гравитационная сила воздействует на объект, энергия и работа сохраняются, что означает, что энергия не может быть создана или уничтожена из-за силы тяжести. Если телефон падает с крыши здания, сила тяжести ускоряет телефон вниз, а потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.

Понимание гравитационной силы

Мы знаем, что гравитационное притяжение является свойством всей массы. Что еще нужно знать? Одна вещь, о которой вам может быть интересно, это разница между классической теорией гравитации и современными теориями.

Классические теории гравитации использовались в качестве объяснения ускорения объектов на Земле в течение сотен лет. Галилей, Ньютон, Гюйгенс и другие ученые задавались вопросом, по какой причине объекты ускоряются к земле после падения, и представляли себе силу, которая вызывает такое поведение. Работа Эйнштейна означала, что гравитация может не быть силой. Вместо этого общая теория относительности объясняет, что масса искривляет само пространство-время. И даже совсем недавно исследователи активно ищут частицу, которая может объяснить гравитацию на квантовом уровне.

Тогда почему мы все еще должны заботиться о классической теории гравитации? Новые теории не означают, что описание гравитации как силы притяжения совершенно неточно. Современные теории особенно полезны, когда речь идет о сверхмассивных объектах, таких как черные дыры или объекты, движущиеся с высокой скоростью, но первоначальный закон всемирного тяготения Ньютона по-прежнему является полезным инструментом для объяснения гравитационного притяжения на Земле и в нашей Солнечной системе. Хотя общая теория относительности выходит за рамки AP Physics 1, полезно знать о различных теориях, которые мы используем для объяснения нашей вселенной!

Определение электрической силы

Электрическая сила, также называемая электростатической силой для систем в состоянии покоя, представляет собой силу между двумя зарядами.

Электрическая или электростатическая сила - это взаимодействие между заряженными частицами, такими как электроны и протоны в состоянии покоя, в результате чего они могут притягиваться или отталкиваться друг от друга.

Электрические заряды - это физическое свойство частиц. Атомы, состоящие из электронов, протонов и нейтронов, могут быть заряжены отрицательно или положительно, если электроны и протоны не сбалансированы.

Эти взаимодействия между заряженными частицами обычно слишком малы, чтобы мы могли наблюдать их одними глазами, но многие физические явления, с которыми мы знакомы в макроскопическом масштабе, происходят благодаря этим силам, действующим в атомном и субатомном масштабах. В атомном и субатомном масштабах электрическая сила доминирует над гравитационной силой, что означает, что силой притяжения между частицами можно пренебречь.

Как и гравитационные силы, электрические силы также имеют полевой компонент. Действительно, заряженные частицы окружены электрическим полем.

Электрическое поле - это векторное поле, которое описывает величину и направление электрической силы, если бы мы поместили заряд где-нибудь в этом поле.

Электрические поля могут выглядеть по-разному. Самое главное, вы должны помнить, что в отличие от гравитационной силы, электрические взаимодействия могут быть притягательными или отталкивающими, в зависимости от знаков задействованных зарядов.

Что мы подразумеваем под “только электрическими силами в состоянии покоя” здесь? Когда мы добавляем к изображению движущиеся заряды, мы также вводим магнитные поля и силы. Магнетизм возникает в результате перемещения зарядов, поэтому электричество и магнетизм часто обсуждаются вместе как единое понятие. Если вам интересно узнать больше сейчас, ознакомьтесь со статьей "Фундаментальные силы" или узнайте больше в AP Physics 2!

Уравнение электрической силы

Уравнение электрической силы обычно известно как закон Кулона. Это уравнение записывается в виде:

Fe=k*q1q2/r2

Закон Кулона даст нам окончательный ответ в единицах ньютонов.

Кулон - это единица электрического заряда, полученная из тока и времени, представленных символом.

1 Coloumb = 1 Ampere * 1 sekond

Если нам просто нужна величина электрической силы, мы можем взять абсолютное значение произведения двух зарядов, как показано на предыдущем рисунке. Это полезно, если мы хотим знать, насколько сильна сила, действующая между двумя зарядами, не заботясь о направлении.

Основные характеристики электрической силы и гравитационной силы

Мы узнали, что, как и гравитационная сила, электрическая сила между двумя частицами притягательна, однако это верно только для двух частиц с противоположными зарядами. Здесь мы видим расхождение в сходстве с силой тяжести. Когда два заряда одинаковы, электрическая сила будет отталкиваться.

Возможно, вам интересно, как выглядит электрическая сила в действии, поэтому давайте рассмотрим реальный пример.

Вы когда-нибудь тянулись, чтобы открыть дверь, и испытывали быстрый удар статического электричества при прикосновении к дверной ручке? Это явление происходит, если вы собрали несколько дополнительных электронов. Возможно, вы шаркали ногами по комнате с ковровым покрытием, или ваша одежда только что вынута из сушильной машины. Трение этих изоляционных материалов друг о друга заставляет ваше тело получать заряд, а прикосновение к металлической дверной ручке разряжает накопленный вами дополнительный заряд!

Подводя итог, вот наиболее важные характеристики, которые следует помнить об электрической силе.

Электрическая сила действует между заряженными частицами в атомном и субатомном масштабах.
Это также называется электростатической силой, когда заряды находятся в состоянии покоя. Закон Кулона - это физический закон и уравнение электростатической силы.
Он доминирует над гравитационной силой в крошечных масштабах, размером с атом или меньше.
Электрическая сила притягивает, если два заряда разные, и отталкивает, если два заряда одинаковы.
Электростатическая сила прямо пропорциональна произведению двух зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между двумя зарядами.
Вы узнаете больше об электрических и магнитных силах в AP Physics 2 — на данный момент наиболее важным моментом, который следует иметь в виду, продвигаясь вперед, является то, что сила, действующая между двумя зарядами, равна по величине, а сила силы обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Прежде чем перейти к сравнению этих двух фундаментальных взаимодействий, давайте обобщим то, что мы узнали о гравитации. Запомните эти ключевые характеристики гравитационной силы.

Гравитационная сила является самой слабой из четырех фундаментальных сил.
Гравитация всегда притягательна и действует на центры объектов или центр масс между несколькими объектами.
Сила тяжести обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя объектами. Это также напрямую связано с общей массой двух объектов.
Общая энергия и работа, обусловленные силой тяжести, сохраняются — потенциальная энергия с высоты объекта преобразуется в кинетическую энергию.
Гравитация действует на большие расстояния, значительно превышающие масштаб электрической силы.

Сравнение гравитационных и электрических сил

Если вы уделяли пристальное внимание характеристикам как гравитационных, так и электрических сил, вы, возможно, заметили некоторое сходство между этими законами! Вот удобная таблица сходств и различий, которые вы захотите запомнить между ними.

Качество/Гравитационные, электрические или оба?

Фундаментальная сила физики/Оба

Подчиняется закону обратных квадратов для расстояния/Оба

Действует на бесконечные расстояния/Оба

Сила притяжения/Оба

Сила отталкивания/Электрические

Зависит от заряда/Электрические

Доминирует на коротких расстояниях/Электрические

Силы или поля могут быть отменены/Электрические

Зависит от массы/Гравитационные

Доминирует на очень больших расстояниях/Гравитационные

Гравитационные и электрические силы - основные выводы

Гравитационные и электрические силы являются фундаментальными силами физики, обе из которых определяют большую часть физической структуры и поведения в нашей Вселенной.
Гравитационная сила притягивает все массы друг к другу.
Электрическая сила может быть либо привлекательной, либо отталкивающей между двумя зарядами, когда одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются.
Как гравитационные, так и электрические силы действуют на бесконечном расстоянии, но обе силы уменьшаются с увеличением расстояния из-за законов обратного квадрата расстояния.