Силовое поле физика. Понятие о поле. консервативные силы. Силовые поля в научной интерпретации
силовое поле
часть пространства, в каждой точке которого на помещенную туда частицу действует определенная по величине и направлению сила, зависящая от координат этой точки, а иногда и от времени. В первом случае силовое поле называют стационарным, а во втором - нестационарным.
Силовое поле
часть пространства (ограниченная или неограниченная), в каждой точке которой на помещенную туда материальную частицу действует определённая по величине и направлению сила, зависящая или только от координат x, у, z этой точки, или же от координат x, у, г и времени t. В первом случае С. п. называется стационарным, а во втором ≈ нестационарным. Если сила во всех точках С. п. имеет одно и то же значение, т. е. не зависит ни от координат, ни от времени, то С. п. называется однородным. С. п., в котором работа сил поля, действующих на перемещающуюся в нём материальную частицу, зависит только от начального и конечного положения частицы и не зависит от вида её траектории, называется потенциальным. Эту работу можно выразить через потенциальную энергию частицы П (х, у, z) равенством А = П (x1, y1, z
- стационарные силовые поля , величина и направление которых могут зависеть исключительно от точки пространства (координат x, у, z), и
- нестационарные силовые поля , зависящие также от момента времени t.
однородное силовое поле , для которого сила, действующая на пробную частицу, одинакова во всех точках пространства и
- неоднородное силовое поле , не обладающее таким свойством.
- Силовое поле - векторное поле сил в физике;
- Силовое поле - некий невидимый барьер, основная функция которого - защита некоторой области или цели от внешних или внутренних проникновений.
≈ П (x2, y2, z
Где x1, y1, z1 и x2, y2, z2 ≈ координаты начального и конечного положений частицы соответственно. При движении частицы в потенциальном С. п. под действием только сил поля имеет место закон сохранения механической энергии, позволяющий установить зависимость между скоростью частицы и сё положением в С. п.
Примеры потенциального С. п.: однородное поле силы тяжести, для которого П = mgz, где т ≈ масса частицы, g ≈ ускорение силы тяжести (ось z направлена вертикально вверх); ньютоново поле тяготения, для которого П = ≈ fm/r, где r ≈ расстояние частицы от центра притяжения, f ≈ постоянный для данного поля коэффициент.
Технически различают:
Наиболее простым для исследования является стационарное однородное силовое поле, но оно же представляет собой и наименее общий случай.
Силовое поле
Силовое поле - многозначный термин, употребляемый в следующих значениях:
Силовое поле (фантастика)
Силовое поле или силовой щит или защитный щит - широко распространенный термин в фантастической и научно-фантастической литературе, а также в литературе жанра фэнтэзи, который обозначает некий невидимый барьер, основная функция которого - защита некоторой области или цели от внешних или внутренних проникновений. Эта идея может базироваться на концепции векторного поля. В физике этот термин также имеет несколько специфических значений (см. Силовое поле).
Силовым полем называется физическое пространство, удовлетворяющее тому условию, что на точки механической системы, находящейся в этом пространстве, действуют силы, зависящие от положения этих точек или от положения точек и времени (но не от их скоростей).
Силовое поле , силы которого не зависят от времени, называется стационарным (примерами силового поля могут служить поле силы тяжести, электростатическое поле, поле силы упругости ).
Потенциальное силовое поле.
Стационарное силовое поле называется потенциальным , если работа сил поля, действующих на механическую систему, не зависит от формы траекторий ее точек и определяется только их начальным и конечным положениями.Эти силы называются силами, имеющими потенциал, или консервативными силами.
Докажем, что приведенное условие выполняется, если существует однозначная функция координат:
называемая силовой функцией поля, частные производные от которой по координатам любой точки M i (i=1, 2...n) равны проекциям приложенной к этой точке силы на соответствующие оси, т. е
Элементарную работу силы, приложенной к каждой точке, можно определить по формуле:
Элементарная работа сил, приложенных ко всем точкам системы, равна:
Пользуясь формулами получаем:
Как видно из этой формулы, элементарная работа сил потенциального поля равна полному дифференциалу силовой функции.Работа сил поля на конечном перемещении механической системы равна:
т. е. работа сил, действующих на точки механической системы в потенциальном поле, равна разности значений силовой функции в конечном и начальном положениях системы и не зависит от формы траекторий точек этой системы. Положениях системы и не зависит от формы траекторий точек этой системы. Из этого следует, что силовое поле, для которого существует силовая функция, действительно является потенциальным .
Физическое поле - особая форма материи, связывающая частицы вещества и передающая (с конечной скоростью) воздействие одних тел на другие. Каждому типу взаимодействия в природе соответствует свое поле. Силовым полем называют область пространства, в которой на помещенное туда материальное тело действует сила, зависящая (в общем случае) от координат и от времени. Силовое поле называется стационарным, если действующие в нем силы не зависят от времени. Силовое поле, в любой точке которого сила, действующая на данную материальную точку, имеет одно и то же значение (по модулю и направлению), является однородным.
Можно характеризовать силовое поле силовыми линиями. В этом случае касательные к силовым линиям определяют направление действия силы в этом поле, а густота силовых линий пропорциональна величине силы.
Рис. 1.23.
Центральной называется сила, линяя действия которой во всех положениях проходит через некоторую определенную точку, называемую центром силы (точка О на рис. 1.23).
Поле, в котором действует центральная сила, - центральное силовое поле. Величина силы F(r), действующей на один и тот же материальный объект (материальную точку, тело, электрический заряд и др.) в разных точках такого поля, зависит только от расстояния г до центра сил, т.е.
(- единичный вектор в направлении вектора г ). Все силовые
Рис. 1.24. Схематическое представление на плоскости хОу однородного поля
линии такого поля проходят через одну точку (полюс) О; момент центральной силы в этом случае относительно полюса тождественно равен нулю M 0 (F ) = з 0. К центральным относятся гравитационные и кулоновские поля (и силы соответственно).
На рисунке 1.24 приведен пример однородного силового поля (его плоская проекция): в каждой точке такого поля действующая на одно и то же тело сила одинакова по величине и направлению, т.е.
Рис. 1.25. Схематическое представление на хОу неоднородного поля
На рисунке 1.25 приведен пример неоднородного поля, в котором F (х ,
у, z
) *?
const и
и не равны нулю 1 . Густота силовых линий в различных областях такого поля не одинакова - в области справа поле более сильное.
Все силы в механике можно разбить на две группы: консервативные силы (действующие в потенциальных полях) и неконсервативные (или диссипативные). Силы называются консервативными (или потенциальными), если работа этих сил не зависит ни от формы траектории тела, на которое они действуют, ни от длины пути в области их действия, а определяется только начальным и конечным положением точек перемещения в пространстве. Поле консервативных сил называется потенциальным (или консервативным) полем.
Покажем, что работа консервативных сил по замкнутому контуру равна нулю. Для этого разобьем замкнутую траекторию произвольно на два участка а2 и Ь2 (рис. 1.25). Так как силы консервативны, то Л 1а2 = А т. С другой стороны А 1Ь2 = -А ш. Тогда А иш = А 1а2 + А ш = = А а2 - А Ь2 = 0, что и требовалось доказать. Справедливо и обратное
Рис. 1.26.
утверждение: если работа сил по произ-воль- ному замкнутому контуру ф равна нулю, то силы консервативны, а поле потенциально. Это условие записывается в виде контурного интеграла
Рис. 1.27.
что означает: в потенциальном поле циркуляция вектора F по любому замкнутому контуру L равна нулю.
Работа неконсервативных сил в общем случае зависит как от формы траектории, так и длины пути. Примером неконсервативных сил могут служить силы трения и сопротивления.
Покажем, что все центральные силы относятся к категории консервативных сил. Действительно (рис. 1.27), если сила F центральная, то ее можно пред-
1 Представленное на рис. 1.23 центральное силовое поле также является неоднородным полем.
ставить в виде В этом случае элементарная работа силы F
на элементарном перемещении d/ будет
или
dA = F(r)dlcos а = F(r) dr (так как rdl = rdl cos a, a d/ cos а = dr). Тогда работа
где /(г) - первообразная функция.
Из полученного выражения видно, что работа Ап центральной силы F зависит только от вида функции F(r) и расстояний г { и г 2 точек 1 и 2 от силового центра О и не зависит от длины пути от 1 к 2, что и отражает консервативный характер центральных сил.
Приведенное доказательство является общим для любых центральных сил и полей, следовательно, охватывает упомянутые выше силы - гравитационные и кулоновские.
СИЛОВОЕ ПОЛЕ
СИЛОВОЕ ПОЛЕ
Часть пространства (ограниченная или неограниченная), в каждой точке к-рой на помещённую туда материальную ч-цу действует , величина и направление к-рой зависят либо только от координат х, у, z этой точки, либо от координат и от времени t. В первом случае С., п. наз. стационарным, а во втором - нестационарным. Если сила во всех точках С. п. имеет одно и то же значение, т. е. не зависит от координат, то С. п. наз. однородным.
С. п., в к-ром сил поля, действующих на перемещающуюся в нём материальную ч-цу, зависит только от начального и конечного положения ч-цы и не зависит от вида её траектории, наз. потенциальным. Эту работу можно выразить через потенциальную энергию ч-цы П (х, у, z):
A=П(x1, y1, z1)-П(x2, y2, z2),
где x1, y1, z1 и х2, y2, z2 - координаты начального и конечного положений частицы соответственно. При движении ч-цы в потенциальном С. п. под действием только сил поля имеет место закон сохранения механич. энергии, позволяющий установить зависимость между скоростью ч-цы и её положением в С. п.
Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .
СИЛОВОЕ ПОЛЕ
Часть пространства (ограниченная или неограниченная),в каждой точке к-рой на помещённую туда материальную частицу действуетопределённая по численной величине и направлению сила, зависящая толькоот координат х, у, z этой точки. Такое С. п. наз. стационарным;если сила поля зависит и от времени, то С. п. наз. нестационарным; еслисила во всех точках С. п. имеет одно и то же значение, т. е. не зависитни от координат, ни от времени, С. п. наз. однородным.
Стационарное С. п. может быть задано ур-ниями
где F x , F y , F z - проекции силыполя F.
Если существует такая ф-ция U(x, у,
z), называемая силовой ф-цией, U(x,у, z), а сила F может быть определена через эту ф-цию равенствами:
или 
. Условиесуществования силовой ф-ции для данного С. п. состоит в том, что
или . При перемещении в потенциальном С. п. из точки M 1 (x 1 ,y 1 , z 1 )в точку М 2 (х 2 ,у 2 , z 2) работа сил поля определяется равенством и не зависит от вида траектории, по к-рои перемещается точка приложениясилы.
Поверхности U(x, у,
z) = const, на к-рых ф-ция сохраняет пост. Примеры потенциального С. п.: однородное поле тяжести, для к-рого U= -mgz,
где т -
масса движущейся в поле частицы, g -
ускорениесилы тяжести (ось z
направлена вертикально вверх); ньютоново полетяготения, для к-рого U = km/r,
где r =
- расстояние от центра притяжения, k - постоянный для данного поля коэффициент. потенциальную энергию П, связанную с U
зависимостью П(х,)= = -U(x, у,
z). Изучение движения частицы в потенциальномС. п. (при отсутствии других сил) существенно упрощается, т. к. в этомслучае имеет место закон сохранения механич. энергии, позволяющий установитьпрямую зависимость между скоростью частицы и её положением в С. п. с. СИЛОВЫЕ ЛИНИИ
- семейство кривых, характеризующих пространственноераспределение векторного поля сил; направление вектора поля в каждой точкесовпадает с касательной к С. л. Т. о., ур-ния С. л. произвольного векторногополя А (х, у,
z) записываются в виде:
Плотность С. л. характеризует интенсивность (величину) силового поля. Понятие С. л. введено М. Фарадеем при исследовании магнетизма, а затемполучило дальнейшее развитие в работах Дж. К. Максвелла по электромагнетизму. Максвелла тензоре натяжений эл.-магн. поля.
Наряду с использованием понятия С. л. чаще говорят просто о линиях поля:напряжённости электрич. поля Е, индукции магн. поля В и т.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Смотреть что такое "СИЛОВОЕ ПОЛЕ" в других словарях:
Силовое поле многозначный термин, употребляемый в следующих значениях: Силовое поле (физика) векторное поле сил в физике; Силовое поле (научная фантастика) некий невидимый барьер, основная функция которого защита некоторой … Википедия
Часть пространства, в каждой точке которого на помещенную туда частицу действует определенная по величине и направлению сила, зависящая от координат этой точки, а иногда и от времени. В первом случае силовое поле называют стационарным, а во… … Большой Энциклопедический словарь
силовое поле - Область пространства, в которой на помещенную туда материальную точку действует сила, зависящая от координат этой точки в рассматриваемой системе отсчета и от времени. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 102. Теоретическая механика. Академия… … Справочник технического переводчика
Часть пространства, в каждой точке которого на помещённую туда частицу действует определённая по величине и направлению сила, зависящая от координат этой точки, а иногда и от времени. В первом случае силовое поле называют стационарным, а во… … Энциклопедический словарь
силовое поле - jėgų laukas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Vektorinis laukas, kurio bet kuriame taške esančią dalelę veikia tik nuo taško padėties priklausančios jėgos (nuostovusis jėgų laukas) arba nuo taško padėties ir laiko… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
силовое поле - jėgų laukas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. force field vok. Kraftfeld, n rus. поле сил, n; силовое поле, n pranc. champ de forces, m … Fizikos terminų žodynas
СИЛОВОЕ ПОЛЕ - В физике, этому термину может быть дано точное определение, в психологии оно используется, как правило, метафорически и обычно относится к любому или ко всем влияниям на поведение. Он обычно используется довольно холистически – силовое поле… … Толковый словарь по психологии
Часть пространства (ограниченная или неограниченная), в каждой точке которой на помещенную туда материальную частицу действует определённая по величине и направлению сила, зависящая или только от координат x, у, z этой точки, или же от… … Большая советская энциклопедия
Часть пространства, в каждой точке к рого на помещённую туда частицу действует определённая по величине и направлению сила, зависящая от координат этой точки, а иногда и от времени. В первом случае С. п. наз. стационарным, а во втором… … Естествознание. Энциклопедический словарь
силовое поле - Область пространства, в которой на помещённую туда материальную точку действует сила, зависящая от координат этой точки в рассматриваемой системе отсчёта и от времени … Политехнический терминологический толковый словарь
Консервативными силами называются силы, работа которых не зависит от пути перехода тела или системы из начального положения в конечное. Характерное свойство таких сил – работа на замкнутой траектории равна нулю:
К консервативным силам относятся: сила тяжести, гравитационная сила, сила упругости и другие силы.
Неконсервативными силами называются силы, работа которых зависит от пути перехода тела или системы из начального положения в конечное. Работа этих сил на замкнутой траектории отлична от нуля. К неконсервативным силам относятся: сила трения, сила тяги и другие силы.
Силовым полем называется физическое пространство, удовлетворяющее условию, при котором на точки механической системы, находящейся в этом пространстве, действуют силы, зависящие от положения этих точек или от положения точек и времени. Силовое поле. силы которого не зависят от времени, называется стационарным. Стационарное силовое поле называется потенциальным, если существует такая функция, однозначно зависящая от координат точек системы, через которую проекции силы на координатные оси в каждой точке поля выражаются так: X i =∂υ/∂x i ; Y i =∂υ/∂y i ; Z i = ∂υ/∂z i.
Каждой точке потенциального поля соответствует, с одной стороны, некоторое значение вектора силы , действующей на тело, и, с другой стороны, некоторое значение потенциальной энергии . Следовательно, между силой и потенциальной энергией должна существовать определенная связь.
Для установления этой связи вычислим элементарную работу , совершаемую силами поля при малом перемещении тела, происходящем вдоль произвольно выбранного направления в пространстве, которое обозначим буквой . Эта работа равна
где - проекция силы на направление .
Поскольку в данном случае работа совершается за счет запаса потенциальной энергии , она равна убыли потенциальной энергии на отрезке оси :
Из двух последних выражений получаем
Последнее выражение дает среднее значение на отрезке . Чтобы
получить значение в точке нужно произвести предельный переход:
Так как может изменяться не только при перемещении вдоль оси , но также и при перемещениях вдоль других направлений, предел в этой формул представляет робой так называемую частную производную от по :
Это соотношение справедливо для любого направления в пространстве, в частности и для направлений декартовых координатных осей х, у, z:
Эта формула определяет проекции вектора силы на координатные оси. Если известны эти проекции, оказывается определенным и сам вектор силы:
в математике вектор 
,
где а - скалярная функция х, у, z, называется градиентом этого скаляра обозначается символом . Следовательно сила равна градиенту потенциальной энергии, взятого с обратным знаком
