Además de las interacciones de contacto que surgen entre los cuerpos en contacto, también hay interacciones entre cuerpos que están distantes entre sí.

Además de las interacciones de contacto que surgen entre los cuerpos en contacto, también se observan interacciones entre cuerpos ubicados a una distancia entre sí. Por ejemplo, la interacción entre el Sol y la Tierra, la Tierra y la Luna, la Tierra y un cuerpo elevado sobre su superficie, la interacción entre cuerpos electrificados. Estas interacciones se llevan a cabo mediante campos físicos, que representan una forma especial de materia. Cada cuerpo crea en el espacio circundante un estado especial llamado poder campo. Este campo se manifiesta en la acción de fuerzas sobre otros cuerpos. Por ejemplo, la Tierra crea un campo gravitacional. En él, una fuerza - mg actúa sobre cada cuerpo de masa m en cada punto cercano a la superficie de la Tierra.

Las fuerzas, cuyo trabajo no depende del camino a lo largo del cual se movió la partícula, sino que está determinado solo por la posición inicial y final de la partícula, se denominan conservador.

Demostremos que el trabajo de las fuerzas conservadoras en cualquier camino cerrado es igual a cero.

Considere un camino cerrado arbitrario. Lo dividimos por los puntos 1 y 2 elegidos arbitrariamente en dos secciones: I y II. Trabajar en un camino cerrado es igual a:

(18 .1 )

Figura 18.1. El trabajo de las fuerzas conservadoras en un camino cerrado

El cambio en la dirección del movimiento a lo largo del tramo II hacia el contrario va acompañado de la sustitución de todos los desplazamientos elementales dr por (-dr), por lo que cambia el signo al contrario. Luego:

(18 .2 )

Ahora, sustituyendo (18.2.) En (18.1.), Obtenemos que A = 0, es decir hemos probado la declaración anterior. Otra definición de fuerzas conservadoras se puede formular de la siguiente manera: las fuerzas conservadoras son fuerzas cuyo trabajo en cualquier camino cerrado es cero.

Todas las fuerzas no conservadoras se denominan ningún conservante... Las fuerzas no conservadoras incluyen las fuerzas de fricción y arrastre.

Si las fuerzas que actúan sobre la partícula en todos los puntos del campo son iguales en magnitud y dirección, entonces el campo se llama homogéneo.

Un campo que no cambia con el tiempo se llama estacionario... En el caso de un campo estacionario uniforme: F = const.

Declaración: las fuerzas que actúan sobre una partícula en un campo estacionario uniforme son conservadoras.

Probemos esta afirmación. Dado que el campo es uniforme y estacionario, entonces F = const. Tome en este campo dos puntos arbitrarios 1 y 2 (Fig. 18.2.) Y calcule el trabajo realizado en la partícula cuando se mueve del punto 1 al punto 2.

18.2. Trabajo de fuerzas en un campo estacionario uniforme en el camino del punto 1 al punto 2

El trabajo de las fuerzas que actúan sobre una partícula en un campo estacionario uniforme es igual a:

donde r F es la proyección del vector de desplazamiento r 12 sobre la dirección de acción de la fuerza, r F está determinado solo por las posiciones de los puntos 1 y 2, y no depende de la forma de la trayectoria. Entonces, el trabajo de la fuerza en este campo no depende de la forma del camino, sino que está determinado solo por las posiciones de los puntos de inicio y finalización del movimiento, es decir. las fuerzas de un campo estacionario uniforme son conservadoras.

Cerca de la superficie de la Tierra, el campo de gravedad es un campo estacionario uniforme y el trabajo de la fuerza mg es igual a:

(18 .4 )

donde (h 1 -h 2) es la proyección del desplazamiento r 12 en la dirección de la fuerza, la fuerza mg se dirige verticalmente hacia abajo, la fuerza de gravedad es conservadora.

Las fuerzas que dependen solo de la distancia entre las partículas que interactúan y que se dirigen a lo largo de una línea recta que pasa a través de estas partículas se denominan centrales. Ejemplos de fuerzas centrales son: Coulomb, gravitacional, elástico.

Campo fisico- una forma especial de materia que une partículas de materia y transfiere (con una velocidad finita) el efecto de unos cuerpos sobre otros. Cada tipo de interacción en la naturaleza tiene su propio campo. Campo de fuerza Se denomina área del espacio en la que un cuerpo material colocado allí es actuado por una fuerza que depende (en el caso general) de las coordenadas y del tiempo. El campo de fuerza se llama estacionario, si las fuerzas que actúan en él no dependen del tiempo. Un campo de fuerza, en cualquier punto del cual la fuerza que actúa sobre un determinado punto material, tiene el mismo valor (módulo y dirección), es homogéneo.

Un campo de fuerza se puede caracterizar líneas de fuerza. En este caso, las tangentes a las líneas de fuerza determinan la dirección de la acción de la fuerza en este campo, y la densidad de las líneas de fuerza es proporcional a la magnitud de la fuerza.

Arroz. 1,23.

Central se llama fuerza, cuya línea de acción en todas las posiciones pasa por algún punto definido, llamado centro de fuerza (punto O en la Fig. 1,23).

El campo en el que actúa la fuerza central es el campo de fuerza central. La magnitud de la fuerza F (r), actuar sobre el mismo objeto material (punto material, cuerpo, carga eléctrica, etc.) en diferentes puntos de dicho campo, depende solo de la distancia r al centro de fuerzas, es decir

(es el vector unitario en la dirección del vector GRAMO). Todo el poder

Arroz. 1,24. Representación esquemática en un plano hoy campo uniforme

las líneas de dicho campo pasan por un punto (polo) O; el momento de la fuerza central en este caso relativo al polo es idénticamente igual a cero M 0 (F) = Ç 0. Los centrales son campos gravitacionales y de Coulomb (y fuerzas, respectivamente).

La figura 1.24 muestra un ejemplo de un homogéneo campo de fuerza(su proyección plana): en cada punto de dicho campo, la fuerza que actúa sobre el mismo cuerpo es la misma en magnitud y dirección, es decir

Arroz. 1,25. Representación esquemática en hoy campo no homogéneo

La figura 1.25 muestra un ejemplo de un campo no homogéneo, en el que F (NS,

y, z) *? const y

y no son iguales a cero 1. La densidad de las líneas de fuerza en diferentes regiones de dicho campo no es la misma; en la región de la derecha, el campo es más fuerte.

Todas las fuerzas en mecánica se pueden dividir en dos grupos: fuerzas conservadoras (que actúan en campos potenciales) y fuerzas no conservadoras (o disipativas). Las fuerzas se llaman conservador (o potencial), si el trabajo de estas fuerzas no depende de la forma de la trayectoria del cuerpo sobre el que actúan, o de la longitud del camino en el área de su acción, sino que está determinado solo por la posición inicial y final de los puntos de desplazamiento en el espacio. El campo de fuerzas conservadoras se llama potencial(o conservador) campo.

Demostremos que el trabajo de las fuerzas conservadoras en un lazo cerrado es igual a cero. Para hacer esto, dividimos la trayectoria cerrada arbitrariamente en dos secciones a2 y B2(figura 1.25). Dado que las fuerzas son conservadoras, entonces Л 1а2 = А т. Por otro lado A 1b2 = -A w. Luego A ish = A 1a2 + A w = = A a2 - A b2 = 0, según sea necesario. Lo contrario también es cierto.

Arroz. 1,26.

Enunciado: si el trabajo de las fuerzas a lo largo de un contorno cerrado arbitrario φ es igual a cero, entonces las fuerzas son conservadoras y el campo es potencial. Esta condición se escribe en forma de integral de contorno

Arroz. 1,27.

lo que significa: en un campo potencial, la circulación del vector F a lo largo de cualquier contorno cerrado L es igual a cero.

El trabajo de fuerzas no conservadoras en el caso general depende tanto de la forma de la trayectoria como de la longitud de la trayectoria. Las fuerzas de fricción y arrastre son ejemplos de fuerzas no conservadoras.

Demostremos que todas las fuerzas centrales pertenecen a la categoría de fuerzas conservadoras. De hecho (figura 1.27), si la fuerza F central, entonces puede ser pre

1 Presentado en la fig. 1.23 el campo de fuerza central también es un campo no uniforme.

poner en la forma En este caso, el trabajo elemental de la fuerza F

en desplazamiento elemental d / será o

dA = F (r) dlcos а = F (r) dr (desde rdl = rdl cos a, a d / cos a = dr). Entonces trabaja

donde f (r) es una función antiderivada.

De la expresión resultante, se puede ver que la obra Un fuerza central F depende solo del tipo de función F (r) y distancias G ( y r 2 puntos 1 y 2 del centro de fuerza O y no depende de la longitud de la trayectoria de 1 a 2, lo que refleja la naturaleza conservadora de las fuerzas centrales.

La prueba dada es general para cualquier fuerza y ​​campo central, por lo tanto, cubre las fuerzas mencionadas anteriormente: gravitacional y Coulomb.

Y en la literatura de ciencia ficción, así como en la literatura del género fantástico, que denota una barrera invisible (con menos frecuencia, visible), cuya función principal es proteger una determinada área u objetivo de intrusiones externas o internas. Esta idea puede basarse en el concepto de campo vectorial. En física, este término también tiene varios significados específicos (consulte Campo de fuerza (física)).

Campos de fuerza en la literatura

El concepto de "campo de fuerza" es bastante común en obras de arte, películas y juegos de computadora. Según el conjunto obras de arte, los campos de fuerza tienen las siguientes propiedades y características, y también se utilizan para los siguientes propósitos.

• Una barrera de energía atmosférica que le permite trabajar en habitaciones que están abiertamente en contacto con un vacío (por ejemplo, un espacio vacío). El campo de fuerza mantiene la atmósfera dentro de la habitación y no le permite salir de esta habitación: al mismo tiempo, los objetos sólidos y líquidos pueden pasar libremente en ambas direcciones.
• Una barrera que protege contra varios ataques enemigos, ya sean ataques de energía (incluidos ataques de rayos), armas cinéticas o torpedo.
• Mantener (no soltar) al objetivo dentro del espacio limitado por el campo de fuerza.
• Bloquea la teletransportación de tropas enemigas (y a veces amigas) a un barco, base militar, etc.
• Barrera que evita que determinadas sustancias se propaguen en el aire, como gases y vapores tóxicos. (Esta es a menudo una forma de tecnología utilizada para crear una barrera entre el espacio y el interior de una nave / estación espacial.
• El medio para extinguir un incendio que restringe el flujo de aire (y oxígeno) hacia el área del incendio: el fuego, después de haber consumido todo el oxígeno disponible (u otro gas oxidante fuerte) en el área cerrada por el campo de fuerza, se extingue por completo.
• Un escudo para proteger algo de los efectos de fuerzas naturales o artificiales (incluidas las armas). Por ejemplo, en Star Control, en algunas situaciones, el campo de fuerza puede ser lo suficientemente grande como para cubrir un planeta entero.
• El campo de fuerza se puede utilizar para crear un espacio vital temporal en un lugar que inicialmente no es adecuado para la vida de los seres inteligentes que lo utilizan (por ejemplo, en el espacio o bajo el agua).
• Como medida de seguridad para guiar a alguien o algo en la dirección correcta para su captura.
• En lugar de puertas y rejas en las cárceles.
• En la serie de fantasía Star Trek: The Next Generation, las secciones de la nave espacial tenían generadores de campos de fuerza internos que permitían a la tripulación activar campos de fuerza para evitar que cualquier materia o energía pasara a través de ellos. También se utilizaron como "ventanas" que separan el vacío del espacio de la atmósfera viva, para proteger contra la despresurización debido a daños o destrucción local del casco principal del barco.
• El campo de fuerza puede cubrir completamente la superficie. cuerpo humano para la protección de influencias externas. En particular, Star Trek: The Animation Series, los astronautas de la Federación usan trajes de campo de energía en lugar de mecánicos. Y en el Stargate, aparecen escudos de energía personales.

Campos de fuerza en la interpretación científica

Notas (editar)

Enlaces

• (Inglés) Artículo de Force Field sobre Memory Alpha, wiki del universo de Star Trek
• (Inglés) Artículo "Science of the Fields" en el sitio web Stardestroyer.net
• (spa) "Paredes invisibles" electrostáticas: comunicación de un simposio de la industria sobre electrostática

Literatura

• Andrews, Dana G.(13 de julio de 2004). "Cosas que hacer mientras navega por el espacio interestelar" (PDF) en 40a Conferencia y Exhibición Conjunta de Propulsión AIAA / ASME / SAE / ASEE.. AIAA 2004-3706. Consultado el 13 de diciembre de 2008.
• Martín, A.R. (1978). “Bombardeo de material interestelar y sus efectos en el vehículo, Informe final del Proyecto Daedalus”.

campo de fuerza

una parte del espacio, en cada punto en el que se coloca una partícula, actúa una fuerza determinada en magnitud y dirección, que depende de las coordenadas de este punto y, a veces, del tiempo. En el primer caso, el campo de fuerza se llama estacionario y en el segundo, inestable.

Campo de fuerza

una parte del espacio (limitado o ilimitado), en cada punto del cual una partícula de material colocada allí es actuada por una fuerza determinada en magnitud y dirección, dependiendo solo de las coordenadas x, y, z de este punto, o de la coordenadas x, y, z y tiempo t ... En el primer caso, un espacio semiconductor se denomina estacionario y en el segundo, no estacionario. Si la fuerza en todos los puntos de la nave espacial tiene el mismo valor, es decir, no depende de las coordenadas ni del tiempo, entonces la nave espacial se llama homogénea. Un sistema en el que el trabajo de las fuerzas de campo que actúan sobre una partícula de material que se mueve en él depende solo de la posición inicial y final de la partícula y no depende del tipo de su trayectoria, se llama potencial. Este trabajo se puede expresar en términos de la energía potencial de la partícula P (x, y, z) por la igualdad A = P (x1, y1, z

≈ П (x2, y2, z

Donde x1, y1, z1 y x2, y2, z2 son las coordenadas de las posiciones inicial y final de la partícula, respectivamente. Cuando una partícula se mueve en un campo de superficie potencial bajo la acción de solo fuerzas de campo, existe una ley de conservación de la energía mecánica, que permite establecer la relación entre la velocidad de la partícula y su posición en la superficie del campo.

Ejemplos de un campo de gravedad potencial: un campo de gravedad homogéneo, para el cual P = mgz, donde m ≈ la masa de la partícula, g ≈ la aceleración de la gravedad (el eje z se dirige verticalmente hacia arriba); Campo gravitacional newtoniano, para el cual П = ≈ fm / r, donde r ≈ la distancia de la partícula al centro de atracción, f ≈ coeficiente constante para el campo dado.

Técnicamente, distinguen entre:

• campos de fuerza estacionarios, cuya magnitud y dirección pueden depender exclusivamente de un punto en el espacio (coordenadas x, y, z), y
• campos de fuerza no estacionarios, que también dependen del tiempo t.

• campo de fuerza uniforme, para la cual la fuerza que actúa sobre la partícula de prueba es la misma en todos los puntos del espacio y

• campo de fuerza no uniforme que no tiene esta propiedad.

El más simple de estudiar es un campo de fuerza homogéneo estacionario, pero también es el caso menos general.

Campo de fuerza

El campo de fuerza es un término ambiguo que se utiliza con los siguientes significados:

• Campo de fuerza- campo vectorial de fuerzas en física;
• Campo de fuerza- una especie de barrera invisible, cuya función principal es proteger una determinada zona u objetivo de intrusiones externas o internas.

Campo de fuerza (fantasía)

Campo de fuerza o escudo de fuerza o Escudo protector- un término muy extendido en la ciencia ficción y la literatura de ciencia ficción, así como en la literatura del género fantástico, que denota una barrera invisible, cuya función principal es proteger una determinada área u objetivo de intrusiones externas o internas. Esta idea puede basarse en el concepto campo vectorial... En física, este término también tiene varios significados específicos (ver Campo de fuerza).

Campo de fuerza Se denomina espacio físico que satisface la condición de que los puntos de un sistema mecánico ubicados en este espacio sean afectados por fuerzas que dependen de la posición de estos puntos o de la posición de los puntos y el tiempo (pero no de sus velocidades).

Campo de fuerza, cuyas fuerzas no dependen del tiempo, se llama estacionario(ejemplos de un campo de fuerza son un campo de gravedad, un campo electrostático, un campo de fuerza elástica).

Campo de fuerza potencial.

Campo de fuerza estacionario llamado potencial si el trabajo de las fuerzas de campo que actúan sobre un sistema mecánico no depende de la forma de las trayectorias de sus puntos y está determinado únicamente por sus posiciones inicial y final, estas fuerzas se denominan fuerzas con potencial o fuerzas conservadoras.

Demostremos que la condición anterior se cumple si hay una función de coordenadas de un solo valor:

llamada función de fuerza del campo, cuyas derivadas parciales a lo largo de las coordenadas de cualquier punto M i (i = 1, 2 ... n) son iguales a la proyección fuerza aplicada a este punto en los ejes correspondientes, es decir

El trabajo elemental de la fuerza aplicada a cada punto se puede determinar mediante la fórmula:

El trabajo elemental de fuerzas aplicadas a todos los puntos del sistema es igual a:

Usando las fórmulas, obtenemos:

Como puede verse en esta fórmula, el trabajo elemental de las fuerzas del campo potencial es igual al diferencial total de la función fuerza.El trabajo de las fuerzas del campo sobre el desplazamiento final del sistema mecánico es igual a:

es decir, el trabajo de las fuerzas que actúan sobre los puntos de un sistema mecánico en un campo potencial es igual a la diferencia entre los valores de la función de fuerza en las posiciones final e inicial del sistema y no depende de la forma de las trayectorias de los puntos de este sistema. Las posiciones del sistema y no depende de la forma de las trayectorias de los puntos de este sistema. De esto se deduce que el campo de fuerza para el que existe la función de fuerza es de hecho potencial.