2.2. Виды сил и виды энергии

То, что заставляет изменяться систему, называется силой. В наших обычных ощущениях, касающихся механических явлений, это то, что тянет или толкает, растягивает или давит. Силу можно определить также как меру интенсивности взаимодействия. Чем больше сила, тем больше при прочих равных условиях произведённая работа (полученная или затраченная энергия). Наличие силы не означает, что изменение и превращение энергии должны обязательно произойти. Такая ситуация означает, что есть другая сила, равная данной, но противоположно направленная, и существует равновесие сил. В этом случае говорят лишь о наличии возможности произвести какие-либо изменения. В механике такая возможность, обусловленная взаимным расположением тел (масс), получила название потенциальной энергии.

Силы бывают разных видов. В настоящее время известны четыре основных типа сил и соответствующие им гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Каждый вид энергии (взаимодействия) определяется каким-либо конкретным свойством материальной системы.

Гравитационные взаимодействия определяются таким свойством, как масса и проявляются в наличии сил притяжения, которые пропорциональны массам взаимодействующих тел и обратно пропорциональны квадрату расстояния между центрами масс. Эти силы преимущественно определяют все движения в больших масштабах Вселенной (планеты, звёзды, галактики). Совокупность явлений таких масштабов принято называть мегамиром.

Электромагнитные взаимодействия определяются таким свойством тел, как электрический заряд и проявляются в возникновении силы между двумя зарядами, которая пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В отличие от гравитационных сил заряды бывают 2 сортов, которые принято обозначать + и –, причём притягиваются только разноимённые заряды, а одноимённые всегда отталкиваются. Магнитные силы возникают между двумя потоками зарядов. Если потоки параллельны и одноимённые заряды текут в одном направлении (разноимённые – в разных), то магнитные силы проявляются в отталкивании потоков. При течении одноимённых зарядов в разных направлениях потоки зарядов испытывают притяжение. Периодическая смена направлений электрического тока вызывает распространение в окружающем пространстве силовых полей, которые называются электромагнитными волнами, характеризующимися частотой колебаний, равной частоте переменного электрического тока.

Электромагнитные силы практически полностью определяют процессы взаимодействия ядер атомов с электронами, а также процессы образования молекул и макроскопических тел из атомов. То есть эти силы в значительной мере определяют явления микромира (масштабы менее 10^-4 м) и макромира. Макромиром принято называть масштабы явлений, с которыми наиболее часто приходится иметь дело человеку в повседневной жизни и о которых можно сравнительно легко получить правильные представления, не прибегая к специальным научным методам или приборам. Масштабы таких явлений находятся в пределах 10^-4 - 10⁴ м. Твёрдость и прочность окружающих нас тел определяется исключительно электромагнитными взаимодействиями атомов и молекул. Гравитационные силы здесь не проявляются, потому что они на 37 порядков меньше, чем силы между электрическими зарядами частиц.

Гравитация в макромире проявляется только в виде общей тенденции всех тел двигаться по направлению к центру Земли. Движение воздушных и водных масс на планете – это тоже результат гравитационных взаимодействий. Более холодные плотные массы, двигаясь вниз под действием силы тяжести, выдавливают вверх более тёплые и лёгкие массы (конвекция), в результате чего возникают круговороты с горизонтальными участками движения (адвекция (ветер) и океанические течения). Реки текут также под действием силы тяжести, хотя предварительное испарение воды происходит под действием тепла (механическая энергия молекул). Тепло, в свою очередь, есть результат превращения электромагнитного излучения Солнца. В отдельных случаях на нагрев может влиять и внутреннее тепло земли.

В мегамире электрические силы проявляются не так сильно, как гравитационные, поскольку крупные тела обычно имеют равное соотношение положительных и отрицательных зарядов, т.е. электрически нейтральны, или разница в зарядах очень ничтожна. Если же по какой-то причине равновесие зарядов в макротелах нарушается, то возникают колоссальные силы, несопоставимые с гравитационными взаимодействиями, что видно на примере грозовых разрядов. Основное проявление электромагнитных взаимодействий в мегамире – это различные виды электромагнитного излучения звёзд и других галактических и внегалактических объектов (см. п. 4.3, 4.4).

Сильные взаимодействия проявляются в некоторых процессах, протекающих с участием элементарных частиц, в частности, в виде сил, удерживающих нейтроны и положительно заряженные протоны в ядрах атомов. Поэтому эти силы ещё называют ядерными. На расстояниях, не превышающих 10^-15 м, протоны испытывают колоссальные силы электрического отталкивания, но не разлетаются, поскольку ядерные силы на 2 порядка сильнее электрических. По аналогии с массой и электрическим зарядом, свойство, определяющее сильное взаимодействие, называется цветовым зарядом, или просто «цветом».

Слабые взаимодействия определяются ещё одним типом сил, которые проявляются при некоторых превращениях элементарных частиц, протекающих обычно с образованием частицы нейтрино. Свойство частиц, определяющее такое взаимодействие, получило название лептонный заряд.

Исчерпывающей теории сильных и слабых взаимодействий пока не создано. Такие взаимодействия описываются преимущественно как экспериментальные факты, из которых следует, что указанные силы ослабевают с расстоянием значительно быстрее, чем гравитационные и электромагнитные и за пределами ядра атома практически не проявляются. В пределах же радиуса действия (≈10^-15 м) слабые силы слабее ядерных на 14 порядков. В свою очередь, гравитационные силы являются ещё более слабыми и в масштабах действия ядерных сил уступают им на 39 порядков.

Поскольку гравитационные и электромагнитные силы убывают с расстоянием значительно медленнее, они получили название дальнодействующих, а силы сильных и слабых взаимодействий называются короткодействующими.