Контактная сила

Блок на пандусе и соответствующая диаграмма свободного тела блока, показывающая силу контакта от пандуса с нижней частью блока и разделенная на две составляющие: нормальную силу N и трения силу f , а также массовую силу тяжести . mg действующую в центре масс .

Контактная сила — это любая сила , возникающая в результате контакта двух объектов друг с другом. Контактные силы очень распространены и ответственны за большинство видимых взаимодействий между макроскопическими совокупностями материи. Толкание автомобиля или удар по мячу — вот некоторые из повседневных примеров действия контактных сил. В первом случае сила прикладывается к автомобилю человеком непрерывно, а во втором случае сила передается коротким импульсом .

Контактные силы часто разлагаются на ортогональные компоненты: одну, перпендикулярную контактирующей поверхности (поверхностям), называемую нормальной силой , и одну, параллельную контактирующей поверхности (поверхностям), называемую силой трения .

Не все силы являются контактными; например, вес объекта — это сила, действующая между объектом и Землей, хотя им не обязательно вступать в контакт. Гравитационные силы, электрические силы и магнитные силы являются массовыми силами и могут существовать без контакта.

Происхождение контактных сил

Микроскопическое происхождение контактных сил разнообразно. Нормальная сила является прямым результатом принципа исключения Паули не , а не истинной силой как таковой: повседневные объекты фактически касаются друг друга; скорее, контактные силы являются результатом взаимодействия электронов на поверхностях объектов или вблизи них. Атомы на двух поверхностях не могут проникать друг в друга без больших затрат энергии, потому что не существует состояния с низкой энергией, для которого волновые функции электронов от двух поверхностей перекрываются; таким образом, для предотвращения этого проникновения не требуется никакой микроскопической силы. На более макроскопическом уровне такие поверхности можно рассматривать как единый объект, и два тела не проникают друг в друга из-за стабильности материи, что опять же является следствием принципа Паули, а также фундаментальных сил природы : Трещины в телах не расширяются под действием электромагнитных сил, создающих химические связи между атомами; сами атомы не распадаются из-за электромагнитных сил между электронами и ядрами; и ядра не распадаются за счет ядерных сил.

Что касается трения, то оно является результатом как микроскопической адгезии, так и образования химической связи под действием электромагнитной силы , а также воздействия микроскопических структур друг на друга; в последних явлениях, чтобы обеспечить движение, микроскопические структуры должны либо скользить одна над другой, либо должны приобрести достаточно энергии, чтобы сломать друг друга. Таким образом, сила, действующая против движения, представляет собой комбинацию нормальной силы и силы, необходимой для расширения микроскопических трещин внутри материи; последняя сила снова возникает из-за электромагнитного взаимодействия . Кроме того, внутри материи создается деформация, и эта деформация возникает из-за комбинации электромагнитных взаимодействий (поскольку электроны притягиваются к ядрам и отталкиваются друг от друга) и принципа Паули, причем последний работает аналогично случаю нормальной силы.

См. также

• Бесконтактная сила
• Сила тела
• Поверхностная сила
• Действие на расстоянии (физика)
• Пружинная сила