Взаимодействие. Явления.

О, божественная необходимость!            Ты принуждаешь все последствия вытекать кратчайшим путем из причины!

Леонардо да Винчи

Анализ явлений, происходящих в окружении человека, не только интересен исследователю, но и бывает жизненно важен обычному человеку в повседневной жизни. Человеку (людям, обществу) важно знать, что может произойти, что произойдет обязательно, и что не произойдет никогда.

Фундаментальные взаимодействия.

Все объекты взаимодействуют друг с другом. Это базовое положение физики в философии формулируют так: взаимодействие (действие одного объекта на другое и обратно) – форма существования материи.

Объекты находятся (существуют) в пространстве. Если тело А действует на тело В, то и тело В одновременно действует на тело А. В результате взаимодействия с объектами происходят какие-то изменения – явления. С изменениями объектов связана вторая базовая форма материи – время. Время – форма материи, в которой происходят явления.

Казалось бы, в природе происходит множество разных взаимодействий. Однако это множество современная физика сводит к очень небольшому числу взаимодействий, которые называют фундаментальными.

На сегодня достоверно известно существование четырёх фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, «сильное» и «слабое». Сила первых двух видов взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами (точечными объектами), но не обращается в нуль ни на каком сколь угодно большом расстоянии. Сила двух последних видов взаимодействия убывает с расстоянием настолько быстро, что оно становится практически неощутимым на расстояниях, больших диаметра ядра атома.

Важными для обычной жизни (для макромира) и наблюдаемых человеком непосредственно (с помощью органов чувств) являются лишь два взаимодействия: гравитационное и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие обусловливает образование массивных небесных тел и наличие силы тяжести, действующей на все тела, находящиеся на Земле. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает образование атомов и молекул, а следовательно, и всех состоящих из них веществ, в том числе тел. Все процессы (явления) в веществе связаны с электромагнитным взаимодействием.

Как можно обнаружить взаимодействие?

Действие проявляется в изменении состояния объекта, подвергаемого действию (воздействию). При взаимодействии изменения происходят в обоих взаимодействующих объектах (телах).

В обыденной жизни взаимодействие чаще всего наблюдается при непосредственном контакте тел, т. е. когда расстояния между некоторыми точками (частями) тел становятся практически равными нулю (исчезают). Обычно такое взаимодействие называют механическим (?). На самом деле при этом взаимодействуют молекулы обоих тел, а это взаимодействие электромагнитное. Результаты механического взаимодействия – изменение характеристик движения, деформация, разрушение, трение.

Фундаментальные взаимодействия, в отличие от механического (контактного), проявляются на расстоянии. Результат такого взаимодействия двух простых тел (не имеющих структуры) проявляется только в изменении расстояния между телами. Если расстояние уменьшается, значит, тела притягиваются, если увеличиваются, то отталкиваются (рис.).

Гравитационное взаимодействие тел, размеры которых сопоставимы с размерами тела человека (или возможны для использования в обычной физической лаборатории), к сожалению, обнаружить можно лишь в очень тонких экспериментах с высокочувствительными измерительными приборами. Электрическое (электростатическое) взаимодействие наблюдается достаточно легко даже в домашних условиях, с ним проводятся эксперименты на уроках физики в школе.

Физические поля.

Взаимодействие осуществляется через особые формы материи (объекты) – физические поля, в макромире гравитационное и электромагнитное. В отличие от тел физические поля не ограничены в пространстве (не имеют собственного объёма).

*Важно! Электромагнитное поле в настоящее время является основным средством передачи энергии и информации на большие расстояния.

Характеристики физических полей.

Физические поля не ограничены в пространстве (распространяются до бесконечности), поэтому их характеристики определяются обычно в некоторой заранее определенной точке.

Основное свойство физического поля – осуществлять (переносить) действие на объекты, обладающие свойством воспринимать (чувствовать) это действие. Базовая количественная характеристика действия – сила. Характеристика способности тел воспринимать действие различна для разных фундаментальных взаимодействий – это масса для гравитационного, электрический заряд для электромагнитного. Обозначим для общности (удобства) эти две величины символом (буквой) γ. Очевидно (наиболее вероятно), что сила действия Fтем больше, чем больше способность к восприятию этого действия γ. *Будем в дальнейшем называть эту величину термином «заряд», понимаемым обобщенно. Простейшая математически зависимость между этими величинами в этом случае – прямая пропорциональная: . Коэффициент пропорциональности Е в этом соотношении – величина векторная, так как сила – вектор, а масса и заряд – скалярные величины. Величина называется напряженностью поля. Напряженность поля – физическая величина, равная отношению силы, действующий на точечный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.

Напряженность поля – вектор, направленный вдоль луча, исходящего из некоторой точки (тела), являющейся источником поля. Это может быть материальная точка для гравитационного поля или точечный электрический заряд для электростатического поля.

Для гравитационного поля γ – масса, F– сила тяжести, отношение F / m = g, т. е. ускорение свободного падения. Иначе говоря, напряженность гравитационного поля вблизи Земли или другого космического тела – это ускорение свободного падения.

Напряженность гравитационного поля Земли легко определяется экспериментально. Для этого в нужном месте достаточно измерить вес тела известной массы. Отношение веса к массе и даст искомую величину напряженности (ускорения свободного падения).

Напряженность физического поля в разных его точках обычно различна. Уменьшение ускорения свободного падения при подъеме на высокие горы – хорошо известный факт. Такие поля называются неоднородными. Но в некоторых случаях в некоторой части пространства напряженность поля во всех точках одинакова, или её можно считать одинаковой с достаточной степенью точности. Такие поля (части полей) называют однородными. Так, гравитационное поле Земли в большинстве практических задач (при относительно небольшом изменении высоты) можно считать однородным.

*Вторая количественная характеристика поля – потенциал – будет рассмотрена позже.

Как можно обнаружить поле?

Физические поля человек не видит, поэтому обнаружить наличие поля можно только по его действию на тела, обладающие способностью воспринимать данное поле, т.е. изменять под его действием какие-либо наблюдаемые и измеряемые характеристики.

Любое физическое поле изменяет характеристики движения находящихся в нём тел – создает ускорение. Неоднородное поле может деформировать тело. Это проявляется, в частности, в океанических приливах и отливах на Земле под действием Луны и Солнца.

В простых объектах простейшие (базовые) явления

Материальная точка.

Если в пустом пространстве находится единственный объект – материальная точка, ему не с чем взаимодействовать, следовательно, с ним не может происходить никаких явлений.

Если с каким-то реальным объектом не происходит никаких видимых (или определяемых экспериментально) изменений, значит, все взаимодействия этого тела с окружающими объектами и все взаимодействия внутри тела взаимно скомпенсированы.

Если с объектом, который не взаимодействует ни с какими другими объектами, что-то происходит, значит, этот объект сложный, т. е. состоит из более мелких частей, взаимодействующих друг с другом.

Два точечных объекта.

Если два точечных объекта находятся в пустом пространстве, то единственной характеристикой их взаимного расположения является расстояние между ними. Следовательно, результатом взаимодействия может быть только изменение этого расстояния – увеличение или уменьшение. Как уже говорилось, в первом случае объекты отталкиваются друг от друга, во втором – притягиваются друг к другу.

Треугольник.

Система из трёх материальных точек (точечных объектов) полностью характеризуется набором трех расстояний: геометрическая фигура – треугольник – полностью определяется величинами трех сторон (отрезков). Изменение сторон треугольника (т. е. расстояний между его вершинами) приводит к изменению его формы.

Система многих точек.

Продолжая увеличивать число материальных точек, естественно приходим к заключению: любая система точек может быть описана набором соответствующего числа расстояний между ними. Взаимодействие между материальными точками может, изменяя расстояния между ними, привести к деформации (изменению внешнего вида) всей системы. Кроме того, благодаря взаимодействию может происходить упорядочение системы, но об этом позже.

Вещество.

Вещество состоит из молекул, молекулы из атомов. Взаимное расположение молекул в веществе, атомов в молекуле определяют молекулярную структуру вещества и пространственную структуру молекул. Химические реакции (превращения молекул) также происходят за счет изменения взаимного расположения молекул, атомов и (главным образом) электронов.

Характеристики явлений. Скорость.

Явление – изменение количественных (измеряемых) характеристик объекта, т. е. величин, со временем. Обозначим интересующую нас величину буквой (символом) Y. Изменение величины в физике принято обозначать символом Δ (заглавная греческая буква дельта), который ставится перед символом физической величины. Отношение изменения величины к промежутку времени, за которое это изменение произошло, , называется скоростью изменения данной величины. Это могут быть например: скорость радиоактивного распада, скорость деформации, скорость химической реакции и т. д. Термин «скорость» без дополнительных слов в обиходном понимании характеризует изменение расстояния. Ускорение – скорость изменения скорости. Обобщенное определение термина «скорость» используется не только в естественных науках, но и во многих гуманитарных науках, а также в разных сферах общественной жизни.

*О средних и мгновенных значениях скорости позже.

Система явлений.

Система явлений – то, что происходит или может происходить. Формирование любой системы состоит из выделения входящих в систему элементов (компонентов), их группирования и распределения по родовидовому признаку. Принципы формирования одной и той же системы могут быть различными, их выбор определяется поставленными задачами или личными предпочтениями исследователя. Ниже приведена таблица системы явлений, происходящих в макромире – мире объектов, имеющих размеры, сопоставимые с размерами человека, и явлений, сопоставимых со временем жизни человека.

Таблица. Возможная классификация явлений макромира.