Читая о нормальной реакции на разные сценарии, я столкнулся с небольшой путаницей относительно их происхождения.
Предположим, что масса удерживается на поверхности. Масса косвенно оказывает направленную вниз силу из-за своего веса, а поверхность будет оказывать обратное воздействие на массу. Интересно, откуда эта сила?
Одно из объяснений утверждает, что эта сила возникает из-за электростатического отталкивания между двумя массами и принципа исключения, что, очевидно, звучит правильно.
Другое объяснение использует тот факт, что масса немного сжимает поверхность, которая пытается восстановиться, толкая массу вверх, т.е. против сжатия. Это источник силы нормальной реакции.
Я сомневаюсь, что это немного обоих вышеперечисленных эффектов? Я видел, что все источники используют одно из двух приведенных выше объяснений, но никогда оба вместе. Разве оба они не должны отвечать за нормальную силу?
Представьте, что поверхность абсолютно жесткая, сжатия нет. Он по-прежнему будет оказывать нормальную силу на массу. Но эта сила была бы чисто электростатической, поскольку восстанавливающая сила не вызывает сжатия.
Однако в общем случае масса прикладывает к поверхности силу, большую, чем нормальная сила из-за чистого электростатического отталкивания. Следовательно, поверхность сжимается, и восстанавливающая сила уравновешивает силы, приводящие оба тела в состояние покоя.
Итак, правильно ли я утверждаю следующее:
В случае идеально жесткого пола работает только первый. Для общего пола первая недостаточно прочная, чтобы сопротивляться сжатию, поэтому вступает в действие вторая восстанавливающая сила, чтобы сбалансировать систему. Если обеих сил недостаточно, поверхность ломается или прокалывается или что-то в этом роде.
Но правильно ли будет остановиться на том, что есть два различных эффекта, которые порождают чистую нормальную силу. Что сила является результатом электростатического отталкивания , а возвращающая сила – результатом сжатия?
Или оба эти эффекта являются одним и тем же, что интуитивно кажется бессмысленным, поскольку они имеют разное происхождение, но вносят свой вклад в общую нормальную силу. Использование только одного из приведенных выше объяснений является неполным. Например, используя объяснение восстанавливающей силы, не упоминается, почему абсолютно твердое тело будет оказывать нормальную силу. С другой стороны, используя чисто электростатическое выражение, не упоминается, почему тяжелый предмет изгибает поверхность. Нам явно нужны оба.
Два объяснения силы отталкивания (электростатической и возникающей из-за отталкивания Паули) и восстанавливающей силы (возникающей из-за сжатия) функционально идентичны; два описания просто подчеркивают разные аспекты. Называть их двумя разными эффектами и складывать их вместе бесполезно.
Похоже, вы не понимаете, как электростатическое отталкивание меняется с расстоянием, и предполагаете, что само по себе отталкивание является независимым компонентом, который может левитировать объект и избегать любого сжатия. Это неправильно. Вес (в контексте этого вопроса) всегда приводит к сжатию опоры.
Аргументы против, основанные на абсолютно жестком материале, можно отбросить*, так как такого материала не существует.
Ваш остающийся вопрос заключается в том, почему тяжелый объект изгибает поверхность и как это можно объяснить электростатическими взаимодействиями. Ответ заключается в том, что система находит энергетический минимум, при котором сумма гравитационного потенциала объекта и энергии деформации, запасенной в молекулярных связях, минимальна. Иными словами, все силы в итоге уравновешиваются; если используется более тяжелый объект, расстояние между молекулами меньше, а сила отталкивания больше (как определено количественно с помощью моделей парного потенциала ).
*Почему это? Почему мы не можем просто идеализировать одну часть проблемы для простоты, чтобы получить представление? Мы можем, но тогда мы должны посвятить себя идеализации; мы не можем смешивать и сочетать. Если вы скажете: «Давайте идеализируем опору как абсолютно жесткую», вы не сможете сказать: «Теперь электроны внутри опоры отталкиваются с силой. ...", потому что вы уже заменили подложку чем-то нефизическим — магическим блоком, не содержащим электронов. Если мы согласны с тем, что подложка не деформируется, то мы не можем тогда говорить о составляющих ее атомах, потому что связанные атомы действительно деформируются. Мы можем исследовать физику только тех частей системы, которые остаются реалистично смоделированными. Другой вариант — рассчитать результаты для огромной жесткости опоры , сказать. Это приведет к незначительному отклонению, но все же позволит рассчитать энергию деформации. Это также подчеркивает, что восстанавливающая сила — это сила отталкивания; их нельзя разъединить.
Эффекты не отличаются. Когда поверхность не искривлена, между молекулами действует нулевая сила (если забыть о тепловых колебаниях). Сила отталкивания возникает при сжатии поверхности. Чем больше вы его сжимаете, тем больше становится сила отталкивания между молекулами.
Все становится намного яснее, если вспомнить кривую межатомных сил . Когда два атома находятся на равновесном расстоянии друг от друга, между ними нет никакой силы (иначе они бы ускорялись!). Когда их толкают ближе друг к другу, чем их положение равновесия, они отталкивают друг друга. Объяснение маханием рукой состоит в том, что электронное облако между ядрами частично отталкивается в сторону, поэтому ядра не полностью экранированы от отталкивания друг друга. Если атомы растянуты дальше друг от друга (например, когда слегка натянута проволока), между ними возникает сила притяжения. [Кривая межмолекулярных сил качественно аналогична межатомной кривой.]
Эван
Боб Д
Накшатра Гангопадхай
Боб Д