Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

К сведению студентов

Основные понятия физики

Формы и виды энергии

Классификация физических систем

Основная идея системы величин

Таблицы физических величин

Итоги и выводы:

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Заряды физического поля

     Новые единицы величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Новый взгляд на         явления переноса

     Критерии подобия всюду

     Современная революция         в метрологии

Системный подход в экономике

История систематизации
величин и единиц


Необходимость модернизации
обучения физике


Учебно-наглядные пособия


Новости сайта

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Сколько значений у слова “сила“?

СОДЕРЖАНИЕ
1. Разные определения термина “сила“.
2. Что же такое сила?
3. Неверные применения слова “сила“.
4. О взаимосвязи понятий "давление" и "сила".

1. Разные определения термина “сила“.

С термином “сила“ знакомятся на первых же этапах изучения физики. К тому же, этот термин является, пожалуй, чемпионом среди терминов, применяющихся в самых различных смыслах, и об этом подробно рассказывается в работе К.Гомоюнова (1983).

Приведем определение силы по метрологическому справочнику А.Чертова (1990): “Сила – это векторная величина, являющаяся мерой механического действия одного материального тела на другое“ (выделено жирным шрифтом нами. И.К.). Но это определение не совсем точно. Во-первых, в метрологии “величина“ и “мера“ – понятия различные. Во-вторых, неясно, как надо понимать слова “механическое действие“? Ведь механическое действие в реальности осуществляется по площади, а не в точке. Подробнее о взаимосвязи силы и давления в конце статьи.

Определение силы, как меры механического действия, ставит под сомнение правомочность применения понятия “силы инерции“. Их в учебнике по физике И.Савельева (2005, кн.1), например, считают фиктивными силами, не оказывающими механическое действие одного материального тела на другое. В то же время С.Кадыров (2001) доказывает, что силы инерции являются реальными мерами, но не действия, а противодействия. Явление инерции в гравидинамике совершенно аналогично явлению самоиндукции в электродинамике, но магнитную силу, воздействующую на электрический заряд при самоиндукции, никто не считает фиктивной силой.

В физике часто применяют иное, нежели в метрологии, определение силы: “Сила – это векторная величина, являющаяся мерой взаимодействия материальных систем“. Это определение учитывает взаимодействие заряженных систем в физическом поле.

Выводить понятие “сила“ из второго закона Ньютона, как это часто принято при преподавании, нелогично, и это мнение обосновывает Р.Фейнман (1965, т.1). Поэтому понятие “сила“ часто применяется в сочетании с каким-то дополняющим словом (сила инерции, магнитная сила, сила Кориолиса, сила Лоренца и т.п.). В механике под понятием “сила“ понимается частный случай разности потенциалов в поле переноса в механической прямолинейной форме движения. Словарь естественных наук (Глоссарий.ру) приводит расширенное определение силы: "мера взаимодействия материальных тел на расстоянии", отсюда и термин “силовое поле“, применяемый часто вместо термина “физическое поле“.

2. Что же такое сила?

Сила является мерой любого действия: воздействия, противодействия и взаимодействия. Когда говорят “движущая сила“ или “ускоряющая сила“, то речь идет о мере воздействия, имея в виду, что потенциал окружающей среды больше, чем потенциал системы. Сила инерции является мерой противодействия инертности системы. Таким образом, когда говорят о движущей силе, то подразумевается не сила, а разность сил воздействия и противодействия. К сожалению, это уточнение не всегда принимается во внимание.

Cила тяготения в гравидинамике, кулоновская сила и магнитная сила в электродинамике являются мерами взаимодействия заряженных систем в силовых полях, то есть разностями потенциалов поля, а не разностями потенциалов системы и среды. При изменении положения системы в поле сила может быть расценена и как мера противодействия поля. Определяющие уравнения (уравнения связи) для сил воздействия в механике и термодинамике и для сил взаимодействия в электродинамике и гравидинамике различны, хотя их размерности и единицы одинаковы. Это лишний раз подчеркивает тот факт, что физическое содержание величины определяется не размерностью, а уравнением связи.

В СИ силу F определяют из второго закона Ньютона F = ma, и поэтому ее размерность равна LMT-2, а единица равна 1 Н (ньютон) = 1 м кг с-2. Однако сила F – всего лишь один из вариантов разности потенциалов ΔР между системой и окружающей средой. Согласно уравнению состояния в термодинамике сила должна определяться по уравнению:

F = (δA/dx) eF , ( 1 )

где δА − работа расширения системы; dx = dV/dS, dV − изменение объёма системы; dS − элементарная площадка, на которую действует сила; eF − орт направления движения, параллельный орту силы. Анализ размерностей уравнения (1) показывает, что размерность силы в системе размерностей ELAСT равна EL-1, а единица равна 1 Н = 1 Дж м-1. Таким образом, признание энергии основной физической величиной приводит к естественно воспринимаемым размерности и единице силы.

3. Неверные применения слова “сила“.

Приведем примеры неверного применения термина “сила“. В электромагнетизме говорят об электродвижущей силе (ЭДС) и магнитодвижущей силе (МДС). Но ЭДС и МДС являются не силами, а сомножителями в определяющих уравнениях для сил взаимодействия в электромагнитном поле, их размерности не равны размерности силы. ЭДС и МДС роднит с силами только одно: они могут являться разностями потенциалов, но каждая − в своей форме движения. К слову, в словосочетании “ЭДС самоиндукции“, согласно замечанию К.Гомоюнова (1983), действует вовсе не электродвижущая сила (как мера воздействия), а электротормозящая сила (как мера противодействия).

В.Эткин (2005) предлагает называть термином “сила“ любые разности потенциалов, например, термодвижущую силу, гидродинамическую силу, диффузионную силу и т.д. Но, поскольку подобные "силы" не всегда имеют размерность силы в механике, то это предложение не целесообразно, так как приводит к недопониманию при преподавании.

Далее, в словосочетаниях “сила тока“, “сила звука“ и “сила света“ слово “сила“ совершенно неуместно. Здесь слово "сила" воспринимается как “интенсивность“. Именно так и звучат эти словосочетания на английском языке. Рационально было бы последовать этому примеру и в физической терминологии на русском языке. Например, термин “сила тока“ уже заменяют на термин “электрический ток“, а термин “сила звука“ – на термин “интенсивность звука“.

Точно так же неверно применяется слово “сила“ в случае, когда напряженность электрического поля, необходимую для нейтрализации остаточной поляризованности сегнетоэлектрика, или напряженность магнитного поля, полностью размагничивающую магнетик, называют “коэрцитивной силой“. Напряженность поля и сила – различные физические величины и по содержанию, и по размерности.

Отсутствие системности в определениях силы привела к тому же и к бессистемности в индексации символов, обозначающих силу. Плохо, конечно, когда эта индексация различна в разных учебных пособиях. Но еще хуже, когда в метрологических справочниках или учебниках по физике у символов, применяемых для обозначения различных сил, индексация вообще отсутствует, а это, к сожалению, тоже имеет место. И приходится ломать голову над тем, что же понимается в каждом конкретном случае под символом F.

4. О взаимосвязи понятий "давление" и "сила".

В метрологическом справочнике А.Чертова (1990) давление р определяется так: физическая величина, равная отношению силы dF, действующей на элемент поверхности нормально к ней, к площади dS этого элемента:

р = dF/dS . ( 2 )

В этом определении пропущено одно слово, следовало написать "модуля силы". В справочнике по физике Б.Яворского и А.Детлафа (1990) уравнение (2) уточнено, оно имеет несколько иной вид:

р = dFn /dS , ( 3 )

и указано, что dFn − численное значение нормальной силы. Уравнение (3) в справочнике А.Чертова (1990) тоже присутствует, но применяется для определения нормального напряжения σ при упругой деформации тела, а сила dFn называется упругой силой.

Если учесть, что в любом случае сила F является векторной величиной, то согласно уравнениям (2) и (3) давление тоже должно было бы считаться векторной величиной. Но давление р является скалярной и интенсивной величиной. Причиной такого несоответствия является тот факт, что уравнения (2) и (3) не соответствуют принципу причинности. Ибо на самом деле сила − это абстрактная величина.

Реальной величиной и причиной, обусловливающей появление силы, является векторная разность давлений Δр между системой и окружающей ее средой или разность давлений между двумя соприкасающимися системами. И разность давлений направлена либо к системе, либо от системы, почему и является векторной величиной. Эта разность давлений действует на какой-то участок контрольной поверхности. Сила является лишь следствием наличия перепада давлений Δр, и поэтому должна определяться уравнением

F = Δр S         или         dF = Δр dS  .   ( 4 )

В механике жидкостей и газов давление можно представить следующим образом. Пусть вовнутрь системы с текучей средой помещено тело, о которое упруго ударяются со всех сторон молекулы среды с силой Fi . Результирующая этих сил Σi Fi , отнесенная к участку площади Si, определяет разность давлений в соответствии с уравнением Δр = Σi Fi /Si между системой и телом. Суммарное воздействие на тело со всех сторон равно нулю. То есть, скалярную величину "давление", определяемую уравнениями (2) и (3), следует считать абстрактной величиной.

Литература

1. Гомоюнов К.К.,1983, Совершенствование преподавания технических дисциплин.– Изд.Ленинградского ун-та, 206 с.
2. Кадыров С.К., 2001, Всеобщая физическая теория единого поля. – Бишкек: “Кыргыз Жер“, №1, также http://www.newphysics.h1.ru/Kadyrov/Kadyrov-contents.htm.
3. Фейнман Р., Лейтон Р.,Сэндс М., 1965 - 1977, Фейнмановские лекции по физике, в 9 томах. М:, “Мир”.
4. Чертов А.Г., 1990, Физические величины. – М.: Высшая школа, 336 с.
5. Эткин В.А., 2005, Многоликая энтропия. - http://zhurnal.lib.ru/e/etkin_w_a/mnogolikayaentropyja.shtml
6. Яворский Б.М., Детлаф А.А., 1990, Справочник по физике. 3-е изд. М.: Наука, Физматгиз, 624 с.



© И. Коган Дата первой публикации 1.06.2006
Дата последнего обновления 18.06.2015

Оглавление раздела Предыдущая Следующая