Câmp de forță (fizică). Câmp de forță Înțelegerea științifică a câmpurilor de forță

CÂMP DE FORȚĂ

CÂMP DE FORȚĂ

O parte de spațiu (limitată sau nelimitată), în fiecare punct al cărei material plasat acolo este afectat de , a cărei mărime și direcție depind fie numai de coordonatele x, y, z ale acestui punct, fie de coordonatele și timpul t. În primul caz, S., p. staționar, iar în al doilea - nestaționar. Dacă forța în toate punctele S. p. are aceeași valoare, adică nu depinde de coordonate, atunci se numește S. p.. omogen.

S. p., în care forțele câmpului care acționează asupra unei particule de material care se mișcă în ea, depinde doar de poziția inițială și finală a particulei și nu depinde de tipul traiectoriei acesteia, numită. potenţial. Această muncă poate fi exprimată în termeni de energie potențială a p-tsy P (x, y, z):

A=P(x1, y1, z1)-P(x2, y2, z2),

unde x1, y1, z1 și x2, y2, z2 sunt coordonatele pozițiilor inițiale și, respectiv, finale ale particulei. Când o particulă se mișcă într-un S. p. potențial sub acțiunea doar a forțelor de câmp, are loc legea conservării mecanicii. energie, care face posibilă stabilirea unei relații între viteza unei particule și poziția acesteia în S. p.

Fizic Dicţionar enciclopedic. - M.: Enciclopedia Sovietică. . 1983 .

CÂMP DE FORȚĂ

Porțiune de spațiu (limitată sau nelimitată), în fiecare punct în care o particulă materială plasată acolo este afectată de o forță determinată în valoare și direcție numerică, care depinde doar de coordonate x, y, z acest punct. Un astfel de S. p. staționar; dacă puterea câmpului depinde și de timp, atunci S. p. nestaționare; dacă forța în toate punctele S. p. are aceeași valoare, adică nu depinde de coordonate sau de timp, S. p. omogen.

S. p. staționar poate fi stabilit prin ecuații

Unde F x , F y , Fz - proiecția intensității câmpului F.

Dacă există o astfel de funcție U(x, y, z), numită funcție de forță, U(x, y, z), iar forța F poate fi definită prin această funcție prin egalitățile:

sau . Condiţia pentru existenţa unei funcţii de forţă pentru un S. p. dat este aceea că

sau . La deplasarea intr-un potential S. p. dintr-un punct M1 (x1,y1,z1)exact M 2 (x 2, y 2, z 2) munca forțelor câmpului este determinată de egalitate și nu depinde de tipul de traiectorie pe care se deplasează punctul de aplicare al forței.

suprafete U(x, y, z) = const, pe care funcția păstrează postul. Exemple de potenţial S. p.: un câmp gravitaţional omogen, pentru care U=-mgz, Unde T - masa unei particule care se mișcă în câmp, g- accelerația gravitației (axa zîndreptată vertical în sus). Câmp gravitațional newtonian, pentru care U = km/r, unde r = - distanta fata de centrul de atractie, k - constanta coeficientului pentru campul dat. energia potenţială P asociată cu U dependenta P(x,) = = - U(x, y, z). Studiul mișcării particulelor în potențial pp. n. (în absenţa altor forţe) este mult simplificată, întrucât în ​​acest caz are loc legea conservării mecanicii. energie, ceea ce face posibilă stabilirea unei relații directe între viteza unei particule și poziția acesteia în SP. din. LINII DE ÎNALTĂ TENSIUNE- o familie de curbe care caracterizează distribuția spațială a câmpului vectorial de forțe; direcția vectorului câmp în fiecare punct coincide cu tangenta la S. l. Astfel, ur-tion S. l. câmp vectorial arbitrar A (x, y, z) se scriu astfel:

Densitatea S. l. caracterizează intensitatea (valoarea) câmpului de forță. Conceptul de S. l. introdus de M. Faraday în studiul magnetismului, iar apoi a primit o dezvoltare ulterioară în lucrările lui J. K. Maxwell despre electromagnetism. Tensor de tensiune Maxwell el.-mag. câmpuri.

Odată cu utilizarea conceptului de S. l. mai des se vorbește pur și simplu despre linii de câmp: puterea electrică. câmpuri E, inducție magnetică. câmpuri ÎN etc.

Enciclopedie fizică. În 5 volume. - M.: Enciclopedia Sovietică. Editor sef A. M. Prohorov. 1988 .

Vedeți ce este „CÂMPUL DE PUTERE” în ​​alte dicționare:

Câmp de forță este un termen ambiguu folosit în următoarele semnificații: Câmp de forță (fizică) câmp vectorial de forțe în fizică; Câmp de forță ( Operă științifico-fantastică) o barieră invizibilă, a cărei funcție principală este protejarea unor ... Wikipedia

O parte a spațiului, în fiecare punct în care o particulă plasată acolo este afectată de o forță de o anumită magnitudine și direcție, în funcție de coordonatele acestui punct, și uneori și de timp. În primul caz, câmpul de forță se numește staționar, iar în ... ... Dicţionar enciclopedic mare

Câmp de forță- O regiune a spațiului în care o forță acționează asupra unui punct material plasat acolo, în funcție de coordonatele acestui punct din cadrul de referință luat în considerare și de timp. [Culegere de termeni recomandați. Problema 102. Mecanica teoretică. Academia…… Manualul Traducătorului Tehnic

O parte a spațiului, în fiecare punct în care o particulă plasată acolo este afectată de o forță de o anumită magnitudine și direcție, în funcție de coordonatele acestui punct, și uneori și de timp. În primul caz, câmpul de forță se numește staționar, iar în ... ... Dicţionar enciclopedic

Câmp de forță- jėgų laukas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Vektorinis laukas, kurio bet kuriame taške esančią dalelę veikia tik nuo taško padėties priklausančios jėgos (nuostovusis jėgų nuos laukas lau…) Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas

Câmp de forță- jėgų laukas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. câmp de forță vok. Kraftfeld, n rus. câmp de forță, n; câmp de forță, n pranc. champ de forces, m … Fizikos terminų žodynas

CÂMP DE FORȚĂ- În fizică, acestui termen i se poate da o definiție precisă, în psihologie este folosit, de regulă, metaforic și se referă de obicei la oricare sau la toate influențele asupra comportamentului. Este de obicei folosit într-un mod destul de holistic - un câmp de forță... ... Dicţionar explicativ de psihologie

O parte a spațiului (limitată sau nelimitată), în fiecare punct al căruia o particulă materială plasată acolo este afectată de o forță determinată ca mărime și direcție, în funcție fie numai de coordonatele x, y, z ale acestui punct, fie de .. ... ... Marea Enciclopedie Sovietică

O parte a spațiului, în fiecare punct în care o particulă plasată acolo este afectată de o forță de o anumită magnitudine și direcție, care depinde de coordonatele acestui punct și uneori și de timp. În primul caz, S. p. staționar, iar în al doilea ...... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

Câmp de forță- O regiune a spațiului în care o forță acționează asupra unui punct material plasat acolo, în funcție de coordonatele acestui punct din cadrul de referință luat în considerare și de timp... Dicționar terminologic explicativ politehnic

Și literatura științifico-fantastică, precum și în literatura de genul fantastic, care denotă un fel de barieră invizibilă (mai rar vizibilă), a cărei funcție principală este de a proteja o anumită zonă sau obiectiv de pătrunderi externe sau interne. Această idee se poate baza pe conceptul de câmp vectorial. În fizică, acest termen are și câteva semnificații specifice (vezi Câmp de forță (fizică)).

Câmpurile de forță în literatură

Conceptul de „câmp de forță” este destul de comun în ficțiune, filme și jocuri pe calculator. Conform multor opere de artă, câmpurile de forță au următoarele proprietăți și caracteristici și sunt, de asemenea, utilizate în următoarele scopuri.

• Bariera energetică atmosferică care vă permite să lucrați în încăperi care sunt în contact deschis cu vidul (de exemplu, spațiul). Câmpul de forță menține atmosfera în interiorul camerei și nu îi permite să iasă în afara acestei încăperi: în același timp, obiectele solide și lichide pot trece liber în ambele direcții
• O barieră care protejează împotriva diferitelor atacuri inamice, fie că sunt atacuri cu energie (inclusiv cu fascicul), cinetice sau arme torpile.
• A ține (nu elibera) ținta în spațiul limitat de câmpul de forță.
• Blochează teleportarea trupelor inamice (și uneori prietene) către navă, bază militară etc.
• O barieră care limitează răspândirea anumitor substanțe în aer, cum ar fi gazele și vaporii toxici. (Adesea, aceasta este o formă de tehnologie folosită pentru a crea o barieră între spațiu și interiorul unei nave/stații spațiale.
• Mijloacele de stingere a unui incendiu, care limitează fluxul de aer (și oxigen) în zona incendiului, - incendiul, după ce a consumat tot oxigenul disponibil (sau alt gaz oxidant puternic) în zona închisă de câmpul de forță, se stinge complet .
• Un scut pentru a proteja ceva de efectele forțelor naturale sau create de om (inclusiv arme). De exemplu, în Star Control, în unele situații, câmpul de forță poate fi suficient de mare pentru a acoperi o întreagă planetă.
• Câmpul de forță poate fi folosit pentru a crea un spațiu de locuit temporar într-un loc care nu este inițial locuibil pentru ființele simțitoare care îl folosesc (de exemplu, în spațiu sau sub apă).
• Ca măsură de securitate pentru a ghida pe cineva sau ceva în direcția corectă pentru capturare.
• În loc de uși și gratii de celule din închisori.
• În seria fantasy Star Trek: The Next Generation, secțiunile navei spațiale aveau generatoare interne de câmp de forță care permiteau echipajului să pornească câmpuri de forță pentru a preveni trecerea oricărei materie sau energie prin ele. De asemenea, erau folosite ca „ferestre” care separă vidul spațiului de atmosfera locuibilă, pentru a proteja împotriva depresurizării din cauza deteriorării sau distrugerii locale a carenei principale a navei.
• Câmpul de forță poate acoperi complet suprafața corpului uman pentru a proteja împotriva influențelor externe. În special, Star Trek: The Animation Series, astronauții Federației folosesc costume de câmp energetic în loc de cele mecanice. Și în Stargate există scuturi de energie personale.

Câmpurile de forță în interpretarea științifică

Note

Legături

• (eng.) Articol „Force Field” despre Memory Alpha, un wiki despre universul Star Trek
• (engleză) Articolul „Science of the Fields” de pe site-ul web Stardestroyer.net
• (ing.) „Pereți invizibili” electrostatici - comunicare dintr-un simpozion industrial despre electrostatică

Literatură

• Andrews, Dana G.(13.07.2004). „Lucruri de făcut în timp ce trecem prin spațiul interstelar” (PDF) în A 40-a conferință și expoziție comună AIAA/ASME/SAE/ASEE privind propulsia..AIAA 2004-3706. Consultat 2008-12-13.
• Martin, A.R. (1978). „Bombardarea materialului interstelar și efectele sale asupra vehiculului, Raportul final al proiectului Daedalus.”

Totuși, datorită interacțiunii punctelor A și B, derivata este diferită de zero. După cum sa menționat mai sus, mecanica nu răspunde la întrebarea de ce prezența punctului B afectează mișcarea punctului A, ci pornește de la faptul că un astfel de efect are loc și identifică rezultatul acestui efect cu vectorul. Impactul punctului B asupra mișcării punctului A se numește forță și se spune că punctul B acționează asupra punctului A cu o forță reprezentată de vector

Această egalitate (folosind termenul „forță”) este de obicei numită a doua lege a lui Newton.

Fie, în continuare, același punct A interacționează cu mai multe obiecte materiale. Fiecare dintre aceste obiecte, dacă ar fi unul, ar provoca, respectiv, apariția forței. În acest caz, se postulează așa-numitul principiu al independenței acțiunii forțelor: forța datorată oricărei surse nu depinde de prezența forțelor datorate altor surse. Centrală pentru aceasta este ipoteza că forțele aplicate în același punct pot fi adăugate conform regulilor uzuale de adunare vectorială și că forța astfel obținută este echivalentă cu cea inițială. Datorită ipotezei independenței acțiunii forțelor, setul de acțiuni aplicate unui punct material poate fi înlocuit cu o acțiune, respectiv, reprezentată de o singură forță, care se obține prin gumarea geometrică a vectorilor tuturor forțelor care acționează.

Forța este rezultatul interacțiunii obiectelor materiale. Aceasta înseamnă că dacă datorită prezenței punctului B, atunci, invers, datorită prezenței punctului A. Raportul dintre forțe și este stabilit de postulat al treilea (legea) lui Newton. Conform acestui postulat, atunci când interacționează între obiecte materiale, forțele și sunt egale ca mărime, acționează de-a lungul unei linii drepte, dar sunt îndreptate către părți opuse. Această lege este uneori formulată pe scurt după cum urmează: „orice acțiune este egală și opusă reacției”.

Această afirmație este un nou postulat. Ea nu decurge în niciun fel din ipotezele inițiale anterioare și, în general, este posibil să se construiască mecanică fără acest postulat sau cu o formulare diferită a acestuia.

Când luăm în considerare un sistem de puncte materiale, este convenabil să împărțim toate forțele care acționează asupra punctelor sistemului luat în considerare în două clase. Prima clasă include forțele care apar ca urmare a interacțiunilor punctelor materiale incluse într-un sistem dat. Forțele de acest fel se numesc interne. Forțele care apar ca urmare a impactului asupra punctelor materiale ale sistemului luate în considerare a altor obiecte materiale care nu sunt incluse în acest sistem sunt numite externe.

2. Munca de forta.

Exprimând produsele scalare în termeni de proiecții ale factorilor pe axele de coordonate, obținem

(18)

Dacă proiecțiile forțelor și incrementele de coordonate sunt exprimate în termenii aceluiași parametru scalar (de exemplu, în termeni de timp t sau, în cazul unui sistem format dintr-un punct, în termeni de deplasare elementară), atunci mărimile în partea dreaptă a egalităților (17) și (18) pot fi reprezentate ca funcții ale acestui parametru, înmulțite cu diferența lui, și pot fi integrate peste acest parametru, de exemplu, peste t în intervalul de la până la . Rezultatul integrării este notat și numit lucru total al forței și respectiv munca totală a forțelor sistemului în timp.

Atunci când se calculează lucrul elementar și total al tuturor forțelor sistemului, trebuie luate în considerare toate forțele, atât externe, cât și interne. Faptul că forțele interne sunt egale în perechi și direcționate opus se dovedește a fi nesemnificativ, deoarece la calcularea muncii, deplasările punctelor joacă și ele un rol și, prin urmare, munca forțelor interne, în general vorbind, este diferită de zero.

Să luăm în considerare un caz special când mărimile din partea dreaptă a egalităților (17) și (18) pot fi reprezentate ca diferențe totale.

În acest caz, este de asemenea firesc să adoptăm notația și definițiile introduse mai sus:

Din egalitățile (21) și (22) rezultă că în acele cazuri când munca elementară este diferența totală a unei funcții Ф, munca pe orice interval finit depinde numai de valorile lui Ф la început și la sfârșit. din acest interval și nu depinde de valorile intermediare ale lui Ф, adică de modul în care a avut loc mișcarea.

3. Câmp de forță.

Să luăm mai întâi în considerare cazul în care se studiază mișcarea unui punct și, prin urmare, se ia în considerare o singură forță, în funcție de poziția punctului. În astfel de cazuri, vectorul forță este asociat nu cu punctul în care se efectuează acțiunea, ci cu puncte din spațiu. Se presupune că fiecărui punct al spațiului, definit într-un cadru de referință inerțial, este asociat un anumit, reprezentând forța care ar acționa asupra unui punct material dacă acesta din urmă ar fi plasat în acest punct al spațiului. Astfel, se consideră condiționat că spațiul este peste tot „umplut” cu vectori. Acest set de vectori se numește câmp de forță.

Se spune că un câmp de forță este staționar dacă forțele luate în considerare nu depind în mod explicit de timp. În caz contrar, câmpul de forță se numește nestaționar.

Câmpul se numește potențial dacă există o astfel de funcție scalară a coordonatelor punctului (și, poate, timpului), încât derivatele parțiale ale acestei funcții în raport cu și sunt egale cu proiecțiile forței F pe x, y și axele z, respectiv:

Datorită faptului că forța F este o funcție a unui punct din spațiu, adică a coordonatelor și, poate, a timpului, proiecțiile sale sunt, de asemenea, funcții ale variabilelor.

Funcția , dacă există, se numește funcție de putere. Desigur, funcția de forță nu există pentru niciun câmp de forță, iar condițiile de existență a acestuia, adică condițiile pentru faptul că câmpul este potențial, nu sunt explicate în cursul matematicii și sunt determinate de egalități.

Când se studiază mișcarea a N puncte de interacțiune, este necesar să se țină cont de prezența N forțe care acționează asupra lor. În acest caz, se introduce spațiul -dimensional al coordonatelor punctului. Specificarea unui punct în acest spațiu determină locația tuturor celor N puncte materiale ale sistemului studiat. În plus, este introdus în considerare un vector -dimensional cu coordonate și se presupune în mod convențional că spațiul -dimensional este peste tot plin dens cu astfel de vectori. Atunci atribuirea unui punct din acest spațiu -dimensional determină nu numai poziția tuturor punctelor materiale față de sistemul de referință inițial, ci și a tuturor forțelor care acționează asupra punctelor materiale ale sistemului. Un astfel de câmp de forță -dimensional se numește potențial dacă există o funcție de forță Φ a tuturor coordonatelor astfel încât

Dacă forțele pot fi reprezentate ca suma a doi termeni

astfel încât termenii satisfac relațiile (24), dar termenii nu le satisfac, atunci se numesc forțe potențiale, nepotențiale.

Un sistem de puncte materiale se numește conservator dacă există o funcție de forță care nu depinde în mod explicit de timp (câmpul de forță este staționar) și astfel încât toate forțele care acționează asupra punctelor satisfac relațiile (24).

Lucrarea elementară a forțelor unui sistem conservator

este convenabil să-l prezentăm într-o formă diferită, exprimând produsele scalare în termenii proiecțiilor factorilor vectori (formula (18)). Ținând cont de existența funcției de rezistență Ф, în virtutea (23) obținem

adică munca elementară este egală cu diferența totală a funcției de forță

Astfel, sub mișcările unui sistem conservator, munca elementară este exprimată prin diferența totală a unei anumite funcții și, prin urmare,

Hipersuprafetele

se numesc suprafete plane.

În formula (26), simbolurile și înseamnă valorile lui Ф în momentele începutului și sfârșitului mișcării. Prin urmare, pentru orice mișcare a sistemului, începutul căruia corespunde unui punct situat pe suprafața plană

iar capătul este un punct de pe suprafața nivelului

munca se calculează prin formula (26). În consecință, atunci când se mișcă un sistem mai conservator, munca nu depinde de traseu, ci doar de suprafețele de nivel pe care a început și s-a terminat mișcarea. În special, munca este zero dacă mișcarea începe și se termină pe aceeași suprafață plană.

Câmp de forță

o parte a spațiului, în fiecare punct al căruia o particulă plasată acolo este afectată de o forță de o anumită magnitudine și direcție, în funcție de coordonatele acestui punct, și uneori și de timp. În primul caz, câmpul de forță se numește staționar, iar în al doilea - nestaționar.

Câmp de forță

parte a spațiului (limitată sau nelimitată), în fiecare punct al căruia o particulă materială plasată acolo este afectată de o forță determinată ca mărime și direcție, în funcție fie numai de coordonatele x, y, z ale acestui punct, fie de coordonatele x , y, z și timpul t . În primul caz, S. p. se numește staționar, iar în al doilea - nestaționar. Dacă forța în toate punctele S. p. are aceeași valoare, adică nu depinde nici de coordonate, nici de timp, atunci S. p. se numește omogen. Un sistem în care munca forțelor unui câmp care acționează asupra unei particule de material care se mișcă în ea depinde numai de poziția inițială și finală a particulei și nu depinde de forma traiectoriei acesteia se numește potențial. Acest lucru poate fi exprimat în termenii energiei potențiale a particulei P (x, y, z) prin egalitatea A = P (x1, y1, z).

≈ П (x2, y2, z

Unde x1, y1, z1 și x2, y2, z2 sunt coordonatele pozițiilor inițiale și, respectiv, finale ale particulei. Când o particulă se mișcă într-un S.p. potențial sub acțiunea doar a forțelor de câmp, are loc legea conservării energie mecanică, ceea ce face posibilă stabilirea relației dintre viteza unei particule și poziția sa în s.

Exemple de potențial S. p.: un câmp gravitațional uniform, pentru care P = mgz, unde m ≈ masa particulelor, g ≈ accelerația gravitațională (axa z este îndreptată vertical în sus); Câmp gravitațional newtonian, pentru care P = ≈ fm/r, unde r ≈ distanța particulei de la centrul de atracție, f ≈ o constantă a coeficientului pentru câmpul dat.

Tehnic sunt:

• câmpuri de forță staționare, a cărei mărime și direcție pot depinde numai de un punct din spațiu (coordonatele x, y, z) și
• câmpuri de forță nestaționare, care depind și de timpul t.

• câmp de forță uniform, pentru care forța care acționează asupra particulei de testat este aceeași în toate punctele din spațiu și

• câmp de forță neomogen, care nu are această proprietate.

Cel mai simplu de studiat este un câmp de forță uniform staționar, dar este și cel mai puțin general caz.

Câmp de forță

Câmpul de forță este un termen ambiguu folosit în următoarele semnificații:

• Câmp de forță- câmp vectorial de forţe în fizică;
• Câmp de forță- un fel de barieră invizibilă, a cărei funcție principală este de a proteja o anumită zonă sau țintă de pătrunderi externe sau interne.

Câmp de forță (ficțiune)

Câmp de forță sau scut de forță sau scut protector- un termen larg răspândit în literatura științifico-fantastică și fantasy, care se referă la un fel de barieră invizibilă, a cărei funcție principală este de a proteja o zonă sau obiectiv de pătrunderi externe sau interne. Această idee se poate baza pe conceptul de câmp vectorial. În fizică, acest termen are și mai multe semnificații specifice (vezi câmpul de forță).