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 .

И научно-фантастической литературе, а также в литературе жанра фэнтэзи , который обозначает некий невидимый (реже - видимый) 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 (физика)).

Силовые поля в литературе

Понятие «силовое поле» довольно часто встречается в художественных произведениях , кинофильмах и компьютерных играх . Согласно множеству художественных произведений, силовые поля имеют следующие свойства и характеристики, а также используются в следующих целях.

• Атмосферный энергобарьер позволяющий работать в помещениях, открыто соприкасаюющихся с вакуумом (например с космическим). Силовое поле держит атмосферу внутри помещения и не дает ей выйти за пределы этого помещения: в то же время твердые и жидкие объекты могут свободно проходить в обе стороны
• Барьер, защищающий от различных атак противника, будь то атаки энергетическим (в т. ч. пучковым), кинетическим или торпедным оружием.
• Для удержания (не дать выйти) цели в пределах ограничиваемого силовым полем пространства.
• Блокирует телепортацию вражеских (а иногда и дружественных) войск на корабль, военную базу и т. д.
• Барьер, сдерживающий распространение в воздухе определённых веществ, например, токсичных газов и паров. (Часто это разновидность технологии, применяемой для создания барьера между космосом и внутренним пространством корабля/космической станции.
• Средство гашения пожара, ограничивающее приток воздуха (и кислорода) в область пожара, - огонь, израсходовав весь доступный кислород (или иной сильный газ-окислитель) в закрытой силовым полем области, полностью потухает.
• Щит для защиты чего-либо от воздействия природных или техногенных (в том числе оружия) сил. Например в Star Control в некоторых ситуациях силовое поле может быть достаточно большим, чтобы покрыть целую планету.
• Силовое поле может использоваться для создания временного жилого пространства в месте, которое изначально непригодно для жизни использующих его разумных существ (например, в космосе или под водой).
• Как мера безопасности, чтобы направить кого-то или что-то в нужном направлении для захвата.
• Вместо дверей и решеток камер в тюрьмах.
• В фантастическом сериале Star Trek: The Next Generation секции космического корабля имели внутренние генераторы силового поля, которые позволяли экипажу включать силовые поля для предотвращения прохождения любой материи или энергии сквозь них. Они также использовались в качестве «окон», которые отделяют вакуум космоса от жилой атмосферы, для защиты от разгерметизации вследствие повреждения или местного разрушения основного корпуса корабля.
• Силовое поле может полностью покрывать поверхность человеческого тела для защиты от внешних воздействий. В частности Star Trek: The Animation Series астронавты Федерации используют энергополевые скафандры вместо механических. А в Звездных вратах фигурируют персональные энергощиты.

Силовые поля в научной интерпретации

Примечания

Ссылки

• (англ.) Статья «Силовое поле » на Memory Alpha , вики о вселенной серии «Звёздный путь »
• (англ.) Статья «Наука полей» на веб-сайте Stardestroyer.net
• (англ.) Электростатические «невидимые стены» - сообщение из промышленного симпозиума по электростатике

Литература

• Andrews, Dana G. (2004-07-13). "Things to do While Coasting Through Interstellar Space " (PDF) in 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit .. AIAA 2004-3706. Проверено 2008-12-13 .
• Martin, A.R. (1978). “Bombardment by Interstellar Material and Its Effects on the Vehicle, Project Daedalus Final Report”.

В пространстве, в каждой точке которого на пробную частицу действует определённая по величине и направлению сила (вектор силы).

Технически различают (как это делается и для других видов полей)

• стационарные 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.

Наиболее простым для исследования является стационарное однородное силовое поле, но оно же представляет собой и наименее общий случай.

Потенциальные поля

Если работа сил поля, действующих на перемещающуюся в нём пробную частицу, не зависит от траектории частицы, и определяется только её начальным и конечным положениями, то такое поле называется потенциальным. Для него можно ввести понятие потенциальной энергии частицы - некоторой функции координат частиц такой, что разность её значений в точках 1 и 2 равна работе, совершаемой полем при перемещении частицы из точки 1 в точку 2.

Сила в потенциальном поле выражается через потенциальную энергию как ее градиент :

Примеры потенциальных силовых полей:

Литература

Е. П. Разбитная, В. С. Захаров «Курс теоретической физики», книга 1. - Владимир, 1998.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Силовое поле (физика)" 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

Эта статья предлагается к удалению. Пояснение причин и соответствующее обсуждение вы можете найти на странице Википедия:К удалению/4 июля 2012. Пока процесс обсуждения не завершён, статью можно по … Википедия

Поле многозначное понятие, связанное с протяжённостью в пространстве: поле в Викисловаре … Википедия

- (от древнегреч. physis природа). Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина физика сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства… … Энциклопедия Кольера

Силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом (См. Магнитный момент), независимо от состояния их движения. М. п. характеризуется вектором магнитной индукции В, который определяет:… … Большая советская энциклопедия

Кроме контактных взаимодействий, возникающих между соприкасающимися телами, наблюдаются также взаимодействия между телами, удаленными друг от друга. Например, взаимодействие между Солнцем и Землей, Землей и Луной, Землей и телом, поднятым над ее поверхностью, взаимодействие между наэлектризованными телами. Такие взаимодействия осуществляются посредством физических полей , которые представляют собой особую форму материи. Каждое тело создает в окружающем его пространстве особое состояние, называемое силовым полем. Это поле проявляет себя в действии сил на другие тела. Например, Земля создает гравитационное поле. В нем на каждое тело массы m в каждой точке вблизи поверхности Земли действует сила - mg.

Силы, работа которых не зависит от пути, по которому двигалась частица, а определяется только начальным и конечным положением частицы, называются консервативными .

Покажем, что работа консервативных сил на любом замкнутом пути равна нулю.

Рассмотрим произвольный замкнутый путь. Разобьем его произвольно выбранными точками 1 и 2 на два участка: I и II. Работа на замкнутом пути равна:

Рис.18.1. Работа консервативных сил на замкнутом пути

Изменение направления движения по участку II на обратное сопровождается заменой всех элементарных перемещений dr на (-dr), из-за чего изменяет знак на обратный. Тогда:

Теперь, подставив (18.2.) в (18.1.) , получаем, что А=0, т.е. вышеприведенное утверждение нами доказано. Другое определение консервативных сил можно сформулировать так: консервативные силы, это силы, работа которых на любом замкнутом пути равна нулю.

Все силы, не являющиеся консервативными, называются неконсервативными . К неконсервативным силам относятся силы трения и сопротивления.

Если силы, действующие на частицу, во всех точках поля одинаковы по модулю и направлению, то поле называется однородным.

Поле, не изменяющееся со временем, называется стационарным . В случае однородного стационарного поля: F=const.

Утверждение: силы, действующие на частицу в однородном стационарном поле, консервативны.

Докажем это утверждение. Так как поле однородно и стационарно, то F=const. Возьмем в этом поле две произвольные точки 1 и 2 (рис.18.2.) и рассчитаем работу, совершаемую над частицей при ее перемещении из точки 1 в точку 2.

18.2. Работа сил в однородном стационарном поле на пути от точки 1 к точке 2

Работа сил, действующих на частицу в однородном стационарном поле, равна:

где r F - проекция вектора перемещения r 12 на направление действия силы, r F определяется только положениями точек 1 и 2, и не зависит от формы траектории. Тогда, работа силы в этом поле не зависит от формы пути, а определяется лишь положениями начальной и конечной точек перемещения, т.е. силы однородного стационарного поля консервативны.

Вблизи поверхности Земли поле силы тяжести является однородным стационарным полем и работа силы mg равна:

где (h 1 -h 2) - проекция перемещения r 12 на направление силы, сила mg направлена вертикально вниз, сила тяжести консервативна.

Силы, зависящие только от расстояния между взаимодействующими частицами, и направленные по прямой, проходящей через эти частицы, называются центральными. Примерами центральных сил являются: кулоновские, гравитационные, упругие.

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