Kontaktspēki fizikā

- [Instruktors] Fizikā pastāv daudz dažādu

spēku veidu,

bet lielākoties

visus spēkus var iedalīt vai nu kā

kontakta spēkus, vai tāldarbības spēkus.

Kontakta spēkiem, kā jau norāda nosaukums,

ir nepieciešams, lai abi objekti,

kas iedarbojas viens uz otru ar spēku,

pieskartos jeb būtu kontaktā.

Sastiepuma spēks, reakcijas spēks, berzes spēki,

šie visi ir izplatīti ikdienas piemēri kontakta spēkiem.

Piemēram, šī celtņa trose

var iedarboties ar kontakta spēku, t.i., ar sastiepuma spēku

uz nojaukšanas lodi, bet šī trose

var iedarboties ar šo sastiepuma spēku uz nojaukšanas lodi

tikai tad, ja trose ir faktiski savienota

jeb pieskaras nojaukšanas lodei.

Ja tu būtu aizmirsis piesiet trosi pie nojaukšanas lodes,

šī trose neiedarbosies ar nekādu sastiepuma spēku

uz nojaukšanas lodi.

Šie kontakta spēki ir jāatšķir no

tāldarbības spēkiem.

Dažreiz tos sauc par tāldarbības spēkiem,

jo tie var iedarboties

uz objektiem, kas atrodas tālu viens no otra.

Gravitācija ir izplatīts piemērs,

Zeme var iedarboties ar gravitācijas spēku uz Mēnesi,

lai gan Zeme un Mēness nesaskaras.

Tas ir tāldarbības spēks.

Līdzīgi, elektriskais spēks var radīt atgrūšanās spēku

starp diviem lādiņiem, ja tie nesaskaras,

tātad tas nav kontakta spēks,

un magnēti var pievilkties

pat ja tie nesaskaras,

tātad tie visi ir tāldarbības spēki.

Bet es būšu godīgs,

šī atšķirība nav ne tuvu tik fundamentāla,

kā sākumā varētu šķist.

Visi šie spēki, kurus mēs saucam par kontakta spēkiem,

patiesībā ir tikai milzīgs skaits tāldarbības spēku,

kas ir maskēti.

Citiem vārdiem sakot, šie kontakta spēki, sastiepuma spēks, reakcijas spēks

un berze, mikroskopiskā līmenī rodas

pateicoties daudziem tāldarbības spēkiem,

kas darbojas ļoti mazos attālumos.

Tas, ka tos sauc par tāldarbības spēkiem,

nenozīmē, ka tie nevar iedarboties mazos attālumos,

un patiesībā tieši šie spēki

liek rasties visiem šiem kontakta spēkiem.

Ļaujiet man paskaidrot, kā tie visi rodas.

Sāksim ar sastiepuma spēku.

No kurienes rodas sastiepuma spēks?

Sastiepuma spēks ir spēks, ar ko iedarbojas stieple,

vai kabelis, vai aukla, kaut kas tamlīdzīgs.

Un šīs auklas,

tās sastāv no atomiem un molekulām,

es mēģinu to attēlot šeit.

Tava aukla, iespējams, ir platāka par trim atomiem,

bet es negribēju šeit zīmēt milzīgu skaitu,

tāpēc iedomājies, ka tev ir noteikts skaits atomu

un molekulu tavā auklā,

šie atomi un molekulas ir saistīti kopā,

ķīmiski saistīti kopā,

tās visas ir elektromagnētiskās saites,

tie nevēlas attālināties no sava līdzsvara stāvokļa,

tiem ir sava vieta, un, ja tie tiek no tās izkustināti,

tie vēlas atgriezties atpakaļ.

Lūk, ko nozīmē būt cietvielā.

Šai stieplei, ja tai pievieno smagu kravu,

piemēram, nojaukšanas lodi,

šī nojaukšanas lode mēģinās saraut šos atomus

un molekulas,

tā mēģinās tos attālināt vienu no otra,

bet tie nevēlas attālināties viens no otra,

citiem vārdiem, tie mēģina atjaunot savu stāvokli,

kad attālums starp šiem atomiem

un molekulām palielinās,

un tas notiek, tu izstiepsi savu auklu vai stiepli,

dažreiz nemanāmi, bet nedaudz,

šie attālumi palielinās,

spēks, kas tos tur kopā, kļūst lielāks,

tāpēc rodas lielāks sastiepuma spēks,

un tā ir šī sastiepuma spēka mikroskopiskā izcelsme.

Šie atomi un molekulas vēlas atjaunot savu stāvokli

līdz iepriekšējam garumam un,

lai to izdarītu, tiem jāvelk arvien stiprāk un stiprāk.

Tas, protams, neturpināsies mūžīgi,

ja šeit piekārsi pietiekami smagu kravu,

tu pārvarēsi šīs elektromagnētiskās saites

un sarauti šīs molekulas,

un tas notiek, kad tava aukla pārtrūkst.

Tāda ir sastiepuma spēka mikroskopiskā izcelsme,

bet tev nav jāzīmē Avogadro skaitam atbilstošs bultiņu daudzums,

mēs vienkārši attēlojam sastiepumu ar vienu bultiņu uz augšu,

izrādās, ka var gandrīz apkopot

visas šīs mikroskopiskās elektromagnētiskās ķīmiskās saites

ar vienu bultiņu, ko mēs saucam par sastiepuma spēku.

Kā ir ar reakcijas spēku, no kurienes tas rodas?

Tas ir gluži pretēji.

Sastiepuma spēks ir velkošs spēks,

reakcijas spēks ir spēks, kas neļauj diviem

objektiem saspiesties vienam otrā.

Tagad, atšķirībā no gadījuma, kad atomi un molekulas

tiek mēģināti saraut,

atomi un molekulas šajā zaļajā kastē

sava svara dēļ mēģina iespiesties

šī galda atomos un molekulās,

esmu mēģinājis to attēlot šeit.

Atkal, kaste un galds sastāv no vairāk

nekā šis atomu un molekulu skaits,

bet tev ir kastes atomi un molekulas,

galda atomi un molekulas,

tie neiespiedīsies viens otrā,

būs elektronu mākonis

ap šiem kastes atomiem un molekulām,

un līdzīgi arī galdam,

notiks elektromagnētiska atgrūšanās,

kad tie mēģinās pārklāties,

un citi kvantu mehānikas efekti.

Izrādās, ir pārsteidzoši sarežģīti paskaidrot,

kāpēc matērija ir cieta un nevar caursist viena otru,

bet milzīgais elektromagnētiskās mijiedarbības skaits

un citi kvantu mehānikas efekti starp šiem

atomiem un molekulām ir mikroskopiskā izcelsme

reakcijas spēkam.

Atkal, tas ir, zini, tāldarbība

nelielā mērogā,

kas cilvēkus patiešām mulsina, viņi domā: pagaidi,

vai divas lietas vispār kādreiz pieskaras?

Zini, kad tu sēdi krēslā,

vai tavu bikšu atomi un molekulas

tiešām fiziski pieskaras?

Šeit ir grūti definēt, ko nozīmē pieskarties,

zini, tev ir šie amorfie elektronu mākoņi,

kā definēt, vai tie pieskaras?

Grūti izdarāms, bet labā ziņa ir, ka mums tas nav jādara,

mēs varam vienkārši apkopot mikroskopiski

visas šīs mikroskopiskās mijiedarbības

kā vienu lielu reakcijas spēku, un tas mums palīdz

gan aprēķinos, gan konceptuāli

ar to tikt skaidrībā.

Tagad tu varētu būt nedaudz satraukts,

tev varētu rasties jautājums: pagaidi,

viss šis video ir par kontakta spēkiem,

un tu man saki,

ka mēs pat nezinām, vai divas virsmas ir saskarē.

Es saku, ka to ir grūti definēt,

bet šeit ir labs veids, kā to definēt:

tavu bikšu atomi un molekulas

saskaras ar krēsla atomiem un molekulām, tiklīdz

tu pamani to spēku,

kas neļauj tiem iespiesties vienam otrā.

Tiklīdz tu vari konstatēt šo reakcijas spēku,

tas ir tikpat labs veids kā jebkurš cits,

lai definētu, ka divas virsmas ir saskarē.

Apskatīsim dažus citus spēkus.

Kā ir ar berzes spēku?

Kāda ir berzes spēka mikroskopiskā izcelsme?

Zini, berzes spēks ir spēks, kas

pretojas divu virsmu slīdēšanai vienai pār otru.

Kāpēc pastāv pretestības spēks?

Ja tu pietuvinātu šīs virsmas,

galds, lai cik gluds tas izskatītos,

pat ja tu to tikko noslaucīji,

ja tu pietuvinātu pietiekami tuvu,

tu būtu pārsteigts par visām mazajām

plaisām, plaisiņām un iedobēm,

vesela pasaule, par kuru tu nezini,

ja neskaties uz to mikroskopiski.

Un līdzīgi ar šo violeto kasti, varbūt tā ir no kartona,

ja tu pietuvinātu mikroskopiski,

atkal, ir pārsteidzoši, cik negludas ir šīs virsmas.

Acīmredzot, ja tu mēģinātu vilkt vienu pāri otrai,

un tās atdurtos viena pret otru,

šie pauguri un ielejas saduras,

tā būs problēma,

tas radīs pretestības spēku.

Tu varētu nolauzt šo, zini, dzelteno pauguru,

dažreiz tie vienkārši nolūst,

jā, tas būs berzes cēlonis.

Dažreiz tie nenolūst,

varbūt tie vienkārši ieliecas un atlec atpakaļ,

bet pat ja tā notiek,

tas joprojām radīs berzes spēku

un palielinās šo berzi.

Un tas nav viss, bet dažreiz pat

atomi un molekulas šajā virsmā,

paskaties, šī vieta neizskatās pārāk slikti,

izskatās, ka tās varētu slīdēt viena pār otru

diezgan labi,

bet var rasties saķere, piemēram, molekulārās saites, kas veidojas

starp tiem atomiem un molekulām, kas atrodas tuvu viena otrai,

tas arī var veicināt berzi.

Atkal, pārsteidzoši sarežģīti,

patiesībā vēl ir daudz jautājumu, uz kuriem jāatbild,

pētot berzi,

un berzes pētīšanu sauc par triboloģiju.

Pārsteidzoši, daudz jautājumu līdz pat šai dienai, bet,

labā ziņa ir tā, ka tu vari apkopot

visas šīs mikroskopiskās mijiedarbības kā vienu spēku,

ko mēs saucam par berzi, kas pretojas

divu virsmu slīdēšanai vienai pār otru.

Tev nav jāveic daudz aprēķinu

un mikroskopiski jāpietuvina virsma,

mēs varam gandrīz visu to ņemt vērā,

vienkārši uzzīmējot to kā vienu lielu pretestības spēku

berzes spēku pretējā virzienā.

Tātad, apkopojot, kontakta spēki ir tie spēki,

kuriem nepieciešams, lai abi mijiedarbojošies objekti pieskartos,

lai šis spēks rastos.

Bet mēs redzējām, ka šie kontakta spēki patiesībā rodas

no prātam neaptverami liela skaita tāldarbības spēku,

kas visi darbojas ļoti īsā attālumā,

bet tu vari apkopot visus šos tāldarbības spēkus

kā vienu kontakta spēku,

risinot lielāko daļu fizikas ievaduzdevumu.