Română

Deutsch

English

Fizică – Nivelul 2 / Mecanică

Interacțiunile corpurilor

O interacțiune înseamnă o pereche de acțiuni reciproce între două corpuri.

Interacțiunile pot cauza:

· efecte statice – acestea înseamnă deformări ale corpurilor, care pot fi:

o deformări elastice: dacă interacțiunea încetează, obiectele își recapătă forma inițială.

o deformări plastice: obiectele rămân deformate chiar dacă interacțiunea încetează.

o există și cazuri intermediare: deformări parțial elastice, parțial plastice. După încetarea interacțiunii obiectele nu revin în totalitate la forma inițială, ci rămân cu o deformare remanentă.

· efecte dinamice – constau în schimbarea stării de mișcare a corpurilor. În urma interacțiunii corpurile pot să treacă de la repaus la mișcare sau invers, iar dacă erau deja în mișcare, are loc modificarea mărimii vitezelor sau/și a direcțiilor de mișcare.

Interacțiunile pot avea loc:

· prin contact între corpuri – interacțiuni prin contact;

· de la distanță, fără contact nemijlocit – interacțiuni prin câmpuri. Câmpul fizic este o formă de existență a materiei care se manifestă prin atracție sau respingere între corpuri. Prin natura lor, corpurile au această proprietate de a crea câmpuri în jurul lor, prin care exercită influențe asupra altor corpuri. La nivel macroscopic putem pune în evidență următoarele câmpuri:

o câmpul gravitațional: toate corpurile din Univers se atrag datorită gravitației. Această atracție este cu atât mai puternică cu cât corpurile au masă mai mare. În cazul corpurilor cerești (stele, planete, asteroizi, comete) atracția gravitațională este evidentă, dar nu percepem atracția gravitațională dintre obiectele uzuale din jurul nostru, ci doar atracția pe care planeta noastră o exercită asupra lor.

o câmpul electrostatic: corpurile electrizate se atrag sau se resping.

o câmpul magnetic: magneții sau electromagneții atrag sau resping alți magneți sau electromagneți.

o câmpul electromagnetic: o combinație de câmpuri electrice și magnetice variabile, care exercită acțiuni asupra particulelor cu sarcină electrică și au capacitatea de a se propaga în spațiu.

Interacțiunile diferă între ele prin intensitatea lor: unele sunt mai puternice, altele sunt mai slabe. Ca să se poată măsura intensitatea unei interacțiuni s-a introdus noțiunea de forță.

În general, interacțiunile au loc simultan între mai multe corpuri. Este nevoie de cel puțin două corpuri ca să poată avea loc o interacțiune. Un corp izolat nu interacționează cu alte corpuri. Ca regulă generală, cu cât distanțele dintre corpuri sunt mai mari, cu atât interacțiunile sunt mai slabe. Un corp aflat foarte departe de alte corpuri interacționează atât de slab cu acestea încât poate fi considerat un corp izolat.

Exemple:

1. Considerăm două corpuri sferice de mase egale, care inițial sunt în repaus, dar se pun în mișcare fiindcă se atrag. Această interacțiune are loc de la distanță, printr-un câmp. Trecerea de la repaus la mișcare este un efect dinamic, cauzat de această interacțiune.

Pe măsură ce sferele se apropie, interacțiunea devine tot mai puternică, iar vitezele cresc tot mai mult. La un moment dat are loc ciocnirea acestor sfere. Ciocnirea este un proces cu o durată foarte scurtă în care intervine o nouă interacțiune, de data asta prin contact. În timpul ciocnirii apar forțe de respingere foarte intense, care cauzează îndepărtarea corpurilor, dar ele din nou se atrag, fiindcă forțele de atracție acționează permanent.

2. Două corpuri sferice de mase egale, inițial aflate în repaus, se resping în permanență și se îndepărtează tot mai repede. Interacțiunea are loc de la distanță, prin câmp electrostatic:

3. În multe cazuri reale, după ciocnire corpurile nu se mai mișcă la fel de mult ca înainte. Ciocnirea cauzează deformări ale corpurilor, care în general nu sunt perfect elastice. Vitezele lor scad treptat după fiecare ciocnire, iar corpurile se mișcă din ce în ce mai puțin. Ciocnirile devin din ce în ce mai frecvente, dar mai slabe și până la urmă încetează:

Forța

Forța este o mărime fizică care măsoară intensitatea unei interacțiuni. Forțele se măsoară cu dinamometrul, iar unitatea de măsură în SI este 1 Newton: .

Dacă interacționează două corpuri apare o pereche de forțe:

Două corpuri se pot respinge sau atrage, după cum este indicat în figura de mai sus. Prin săgeți indicăm direcția și sensul în care acționează forțele, dar și mărimea lor: o săgeată mai lungă înseamnă o forță mai puternică. Cu notăm forța cu care corpul 1 acționează asupra corpului 2, iar cu notăm forța cu care corpul 2 acționează asupra corpului 1.

Forța este o mărime fizică cu caracter vectorial. Pe desen reprezentăm grafic vectorul forță printr-un segment de dreaptă orientat. Vectorul forță trebuie specificat prin toate elementele sale:

· direcția: în desenele de mai sus direcția este dreapta trasată cu linie punctată;

· sensul: pentru o direcție dată avem două sensuri opuse;

· punctul de aplicație: în cazurile prezentate forțele actionează în centrul sferelor;

· mărimea: în funcție de cât de puternică sau slabă este forța, vectorul este desenat mai lung sau mai scurt.

Inerția

Inerția este o proprietate fundamentală a corpurilor care constă în capacitatea acestora de a se opune oricărei acțiuni care duce la schimbarea stării lor de mișcare. Inerția este direct legată de masa corpului. Un corp cu masă mai mare are în același timp inerție mai mare, este mai greu de pus în mișcare, este mai greu de oprit, este mai greu să-i fie schimbată direcția de mișcare. Cu alte cuvinte, cu cât un corp are inerție mai mare, cu atât este mai greu să-i fie influențată mișcarea (prin modificarea mărimii vitezei sau/și a direcției).

Principiul inerției

Orice corp izolat (asupra căruia nu acționează nici o forță, fiindcă nu interacționează cu nici un alt corp) se află în repaus sau se mișcă în linie dreaptă cu viteză constantă. Situația se schimbă doar dacă intervin între timp acțiuni din partea altor corpuri.

Exemple:

1. Un corp mare stă în repaus și acționează ca un centru de forță atractiv pentru un corp mai mic care vine din stânga. Dacă n-ar exista centrul de forță, corpul mic și-ar continua deplasarea după aceeași direcție, cu viteză constantă, în virtutea inerției. Corpul mare influențează mișcarea celui mic. La distanță mare influența este slabă și corpul mic se comportă aproximativ ca un corp izolat: se deplasează în linie aproape dreaptă, cu viteză aproape constantă. Influența corpului mare devine puternică doar atunci când corpul mic ajunge aproape: direcția lui de mișcare se schimbă radical, dar rămâne din nou neschimbată după ce se îndepărtează suficient. Există și o influență slabă a corpului mic asupra celui mare, care se urnește puțin din loc:

2. De data asta corpul mare acționează ca un centru de forță repulsiv pentru corpul mai mic care vine din stânga. De asemenea, apar influențe reciproce. Traiectoria corpului mic este puternic deviată, iar corpul mare este scos ușor din repaus:

Principiul acțiunilor reciproce (principiul acțiunii și reacțiunii)

În orice interacțiune apare o pereche de forțe care sunt egale ca mărime și au sensuri opuse. Dacă un corp acționează asupra altuia cu o forță, pe care o numim acțiune, celălalt se opune și acționează asupra primului cu o forță, pe care o numim reacțiune. Oricărei acțiuni i se opune o reacțiune. Forțele opuse de acțiune și reacțiune sunt la fel de mari, indiferent de mărimea relativă a corpurilor sau de alte caracteristici ale acestora:

Dacă cele două corpuri nu sunt identice, chiar dacă forțele sunt la fel de mari, efectele forțelor diferă.

Exemple:

1. Un corp mai mic și altul mai mare se atrag. Cele două forțe sunt la fel de mari, dar efectele lor dinamice sunt diferite: corpul mic, având inerție mai mică, se pune mai ușor în mișcare și se mișcă mai mult decât cel mare, care are inerție mai mare:

2. La fel se întâmplă în cazul interacțiunii de respingere:

3. Ne imaginăm un sistem solar format doar dintr-un soare și o singură planetă. Soarele atrage planeta, dar aceasta nu ‘cade’ pe soare, ci execută o mișcare orbitală în jurul soarelui, având viteză suficient de mare. Planeta reacționează (se opune acțiunii soarelui) și atrage la rândul ei soarele, însă efectul ei este minor. Dată fiind durata lungă a interacției, soarele își schimbă radical poziția:

4. În acest caz viteza planetei este insuficient de mare ca să se mențină pe orbită, astfel că aceasta ‘cade’ pe soare, se ciocnește de soare, dar se ‘ridică’ și asta se repetă la nesfârșit, fiindcă ciocnirile sunt perfect elastice. Desigur, asta este doar o ficțiune:

Suprapunerea forțelor

În exemplul următor sunt 3 corpuri care interacționează și apar 3 perechi de forțe, care acționează după 3 direcții. Cele două sfere roșii se resping, dar există atracție între sfera albastră și cele roșii:

Asupra fiecărui corp acționează simultan câte două forțe. Spunem că ele se suprapun sau se compun. Efectele lor se combină într-unul global.

Pentru fiecare dintre corpuri se pot echivala cele două forțe cu una singură, care ar produce același efect ca și cele două împreună. Forța echivalentă se numește forța rezultantă și se poate determina folosind regula paralelogramului:

Pentru fiecare corp construim un paralelogram folosind vectorii celor două forțe. Diagonala paralelogramului ne dă vectorul forței rezultante.

Formal, pentru fiecare corp scriem câte o ecuație, care exprimă suprapunerea forțelor respective:

· Asupra corpului 1 acționează simultan forțele și , pe care le echivalăm cu rezultanta lor , care este suma vectorială a acestora:

;

· Asupra corpului 2 acționează simultan forțele și , iar rezultanta lor este :

;

· Asupra corpului 3 acționează simultan forțele și , iar rezultanta lor este :

.

În final, considerăm doar forțele rezultante, care ar produce același efect:

În exemplul următor vedem cum evoluează cele 3 sfere. Inițial au fost în poziții apropiate celor din desenele de mai sus, dar interacțiunile existente determină această evoluție a sistemului:

Alte exemple

1. Un sistem solar alcătuit din soare, o planetă și un satelit:

2. Același sistem solar, dar satelitul nu orbitează destul de repede în jurul planetei și adesea cade pe planetă:

Echilibrul forțelor

Există numeroase situații când se suprapun două sau mai multe forțe, dar se anulează reciproc. Rezultanta lor este zero. Spunem în acest caz că se realizează echilibrul forțelor.

Exemple:

1. Două corpuri sferice de mase egale se atrag de la distanță, dar când ajung mai aproape se resping. O anumită distribuție de sarcini electrice pozitive și negative din interiorul sferelor face posibilă acțiunea simultană a două interacțiuni: de atracție și de respingere, dar în așa fel încât la distanță mare atracția este mai puternică decât respingerea, iar la distanță mică respingerea devine dominantă. Există o anumită distanță la care forțele de atracție și de respingere se anulează reciproc. În acel moment forțele ajung în echilibru. Totuși corpurile nu se opresc în acel moment, ci continuă să se miște, datorită inerției. Rezultă astfel mișcări de oscilație, care în mod ideal durează la nesfârșit:

2. De fapt, adesea intervin și interacțiuni externe care se opun mișcărilor, iar oscilațiile se sting și corpurile rămân la o distanță fixă, în echilibru:

3. De data asta sunt 3 sfere care de la distanță se atrag, dar nu se pot apropia oricât de mult, fiindcă se resping. Ele oscilează, dar datorită unor interacțiuni externe, oscilațiile se amortizează și în final sferele rămân în poziții fixe, de echilibru: