Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно - страница 51

Теперь заменим нить на пружину: если к ней не подвешен предмет, пружина имеет «естественную» длину, которую физики называют длиной без нагрузки. Если мы подвесим на пружину лампочку, пружина растянется на некоторую длину. Если мы подвесим на нее предмет вдвое тяжелее, мы увидим, что растяжение пружины увеличилось вдвое (➙ рис. 4.5). Это значит, что растяжение пружины пропорционально приложенной к ней силе.

Если мы обозначим приложенную силу F, а х – растяжение пружины по отношению к длине без нагрузки, получается, что F = kx.

k называется коэффициентом упругости пружины: чем она больше, тем пружина жестче, то есть растягивается или сжимается с трудом.

F соответствует силе, с которой предмет действует на пружину: то есть это также и сила действия пружины на предмет (принцип взаимодействия). Эта сила стремится вернуть пружину к длине без нагрузки: это называется силой упругости пружины.

Выражение F = kx важно, потому что оно означает, что пружину с определенным коэффициентом упругости можно использовать для измерения сил, – здесь попросту используется измерение длины. Пружина, измеряющая силу, называется «динамометр». Мы уже использовали его для измерения гравитационной и электростатической силы в предыдущих разделах (➙ рис. 2.2 и 3.1).

Кроме того, пружины служат амортизаторами в транспортных средствах. Отметим также, что многие физические явления (в частности, на атомном уровне) происходят благодаря силам, действующим по типу пружины, которые не стоит недооценивать.

Рис. 4.5 – Сила упругости пружины

Мы называем текучей средой (флюидом) жидкости и газы в противоположность жесткости твердых тел. В отличие от твердого тела текучую среду можно «пройти насквозь». Чтобы это понять, рассмотрим разницу на микроскопическом уровне:

• В твердом теле атомы и молекулы «склеены» друг с другом и могут лишь колебаться в пределах определенной позиции, которая остается неизменной. Благодаря отталкивающей электростатической силе заряды, составляющие атомы этих тел, не позволяют другим телам проходить насквозь.

• В жидкостях молекулы всегда соприкасаются, но могут также проникать друг в друга и перемещаться таким образом на большие расстояния. Тело может проникнуть внутрь жидкости, раздвигая молекулы с помощью той же отталкивающей электростатической силы.