Физика. 10 класс

Проявление сил взаимного притяжения между частицами твёрдых тел и жидкостей, с одной стороны, и частицами газов — с другой различно. Это различие возможно в том случае, когда модуль сил взаимного притяжения между частицами быстро убывает с возрастанием расстояния между их центрами.

Зависимость модулей сил взаимного притяжения и взаимного отталкивания от расстояния между центрами соседних частиц должна быть различной. Кроме того, должно существовать определённое расстояние r₀ между центрами этих частиц, при котором силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания — их результирующая равна нулю (рис. 12.1, а). Расстояние r₀ называют равновесным. На этом расстоянии располагались бы молекулы (атомы), если бы прекратилось тепловое движение, которое они совершают.

Рассмотрим взаимодействие электрически нейтральных частиц — атомов и молекул. Если расстояние между центрами молекул превышает их размеры (рис. 12.1, б), то происходит своеобразная «электризация» этих молекул через влияние.

Протоны и электроны, имеющие заряды противоположных знаков, внутри частицы не находятся в одном месте, а распределены по всему атому, поэтому вблизи всякого атома или молекулы существует электрическое поле. Под воздействием этого поля положение и движение заряженных частиц внутри соседних молекул слегка изменяются таким образом, что ядра, содержащие протоны, смещаются в направлении внешнего электрического поля, а электроны — в противоположную сторону. Это явление получило название электрической поляризации. Электрическое поле, созданное поляризационными зарядами одной молекулы, в свою очередь, вызывает перераспределение ядер и электронов в другой молекуле. В результате молекулы оказываются обращёнными друг к другу противоположно заряженными частями, что и обеспечивает их взаимное притяжение.

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям на близких расстояниях, когда электронные оболочки взаимодействующих молекул перекрываются (рис. 12.1, в), силы молекулярного отталкивания преобладают над силами притяжения. Модуль сил отталкивания очень велик при малых расстояниях между центрами взаимодействующих молекул, но быстро убывает с увеличением расстояния. Взаимному перекрытию электронных оболочек препятствует взаимное отталкивание электронов.

Модуль сил межмолекулярного взаимодействия обратно пропорционален n-й степени расстояния между центрами молекул  , где для сил притяжения n = 7, а для сил отталкивания n = 13.

Зависимость проекции результирующей F_r сил притяжения и отталкивания двух соседних молекул от расстояния r между их центрами можно изобразить графически. Направим ось Оr от молекулы 1, центр которой совпадает с началом координат, к центру молекулы 2 (рис. 12.2). Будем считать молекулу 1 условно неподвижной, а молекулу 2 изменяющей своё положение относительно молекулы 1. Тогда проекция силы отталкивания молекулы 2 молекулой 1 на ось Оr будет положительной, а проекция силы притяжения молекулы 2 молекулой 1 — отрицательной.

На малых расстояниях (r < r₀) модуль силы отталкивания (см. рис. 12.2) больше модуля силы притяжения. Однако с увеличением расстояния r он убывает быстрее, чем модуль силы притяжения. Начиная с некоторого расстояния r_м взаимодействием молекул можно пренебречь. Наибольшее расстояние r_м, на котором ещё учитывают взаимодействие молекул, называют радиусом молекулярного действия. Расстояние r₀ соответствует устойчивому (равновесному) взаимному положению молекул. Тонкие «вертикальные» (параллельные F_r) линии проведены при выполнении сложения проекций сил.

График зависимости проекции результирующей F_r сил притяжения и отталкивания двух соседних молекул от расстояния r между их центрами (кривая проекции силы взаимодействия F_r на рисунке 12.2) позволяет объяснить молекулярный механизм возникновения сил упругости в твёрдых телах. При действии на тело растягивающих внешних сил расстояние r между центрами частиц вещества становится больше равновесного расстояния r₀. Модуль силы притяжения на расстояниях r > r₀ превышает модуль силы отталкивания (см. рис. 12.2). Действие сил притяжения между частицами возвращает их в первоначальные положения после прекращения внешнего воздействия. При сжатии твёрдого тела его частицы сближаются на расстояния r < r₀. Теперь силы отталкивания становятся преобладающими и препятствуют дальнейшему сжатию. При малых смещениях частиц из первоначальных положений устойчивого равновесия, вызванных деформацией твёрдого тела, зависимость проекции результирующей силы F_r от расстояния r практически линейна (участок АВ кривой F_r графика на рисунке 12.2 можно считать отрезком прямой). Именно поэтому при малых деформациях выполняется закон Гука: проекция силы упругости F_{упр r} на ось Or прямо пропорциональна абсолютному удлинению Δl тела, F_{упр r} = ‒kΔl, где k — жёсткость тела. Особенностью упругой деформации является то, что она не нарушает межатомных (межмолекулярных) связей и не создаёт новых. Все атомы (молекулы) сохраняют своих соседей. Это обстоятельство и обеспечивает возвращение частиц в равновесное состояние, когда перестают действовать деформирующие силы.