ما هي القوات؟ (الفيزياء)

بينما من المحتمل أن تكون على دراية بكلمة "قوة" وقد سمعتها تستخدم في المحادثات اليومية ("لم يكن لدي خيار - لقد أجبرني على القيام بذلك!") ، هل تعرف تعريف الفيزياء للقوة؟

في هذه المقالة سوف تتعلم ليس فقط ماهية القوة حقًا ، ولكن من أين أتت الفكرة وكيف يتم استخدامها في الفيزياء.

للحصول على العقلية الفيزيائية الصحيحة لفهم القوى ، تذكر ما تعرفه عنه اقتراح. يمكنك وصف موضع الكائن (الموقع في الفضاء) ، ويمكنك وصف كيفية تغير هذا الموقع بمرور الوقت ؛ معدل تغيير الموقف لكل وحدة زمنية هو● السرعة. يمكنك أيضًا وصف كيفية تغير هذه السرعة - يُطلق على معدل تغير السرعة لكل وحدة زمنيةالتسريع​.

هذه الكميات الفيزيائية - الموضع والسرعة والتسارع - كلها كميات ناقلات، مما يعني أن لديهم الحجم والاتجاه المرتبط بهم.

إذا كان جسم ما في حالة راحة ، مثل صخرة جالسة على الرصيف ، فمن المحتمل أن تكون واثقًا إلى حد ما من أنه سيبقى هناك حتى يتحرك شيء ما. إما أن يقوم شخص ما يسير على طول الرصيف بركله ، أو ربما تكون الصخرة خفيفة بدرجة كافية تدفعها ريح قوية. عندما يحدث هذا ، تتغير حركته. الكمية المادية التي تسبب هذا التغيير ، كما سنتعلم ، هي قوة.

ربما يكون لديك أيضًا شعور بأن بعض الأشياء يصعب تحريكها أكثر من غيرها. تخيل حصاة صغيرة مقارنة بصخرة ثقيلة. سوف تحتاج إلى ركل الصخرة بقوة أكبر من أجل تحريكها. وبالمثل ، إذا كان جسمان - أحدهما خفيف والآخر ثقيل - يتحركان بالفعل ، فسيكون من الصعب للغاية جعل الجسم الأثقل يتوقف.

تسمى مقاومة الجسم لأي تغيرات في حركته التعطيل. إن مقدار القوة المطلوبة لإحداث تغيير معين سيتعلق بالكتلة ، وهو مقياس للقصور الذاتي.

كانت فكرة القوة موجودة منذ فترة طويلة ، لكنها لم تُفهم جيدًا في جزء كبير منها بسبب التفسيرات الخاطئة للاحتكاك.

اقترح أرسطو أن جميع الأشياء لها حالة طبيعية يريدون أن تستريح فيها وأنهم سيفعلون ذلك ما لم تعمل القوة. استخدم هذه الفكرة لشرح سبب سقوط الأشياء على الأرض ، أو إبطاء توقفها بعد دفعها.

ومع ذلك ، دحض جاليليو هذه الفكرة وشرح وجود قوة توقف تسمى الاحتكاك. قرر أن الأجسام ستستمر في التحرك في مسارات مستقيمة إذا لم يكن هناك احتكاك لإبطائها.

أعطى السير إسحاق نيوتن شكلاً أكبر لملاحظات جاليليو من خلال كتابه الشهير ثلاثة قوانين للحركة. لقد كان قادرًا على وصف ما تفعله القوى ، وكيف تتصرف ، وحتى إسناد الأرقام بوحدات إلى المفهوم.

ينص قانون نيوتن الأول للحركة - الذي يُطلق عليه أحيانًا قانون القصور الذاتي - على أن الجسم الساكن يظل في حالة سكون ما لم تؤثر عليه قوة غير متوازنة. هذا الجزء بديهي جدًا عندما تفكر في ركل الصخرة على الرصيف. علاوة على ذلك ، ينص هذا القانون على أن أي جسم يمر بحركة سرعة ثابتة (حركة بسرعة ثابتة في مسار خط مستقيم) سيستمر في القيام بذلك ما لم يتم التصرف بناءً عليه بواسطة قوة خارجية صافية.

الجزء الثاني من القانون الأول أقل سهولة لأنه في تفاعلاتنا اليومية ، لا تميل الأشياء إلى الاستمرار في الحركة إلى الأبد. لكن هذا لأنهم يتصرفون من خلال قوة مقاومة تسمى الاحتكاك.

ينص قانون نيوتن الثاني للحركة على أن صافي القوة المؤثرة على الجسم (وهو مجموع متجه لجميع القوى المؤثرة) يساوي حاصل ضرب الكائن كتلة والتسارع. بعبارات أخرى:

كان قانون نيوتن الثاني للحركة قادرًا على تفسير سبب وجوب الضغط بقوة على الأشياء الثقيلة أكثر من الضغط على الأشياء الأخف وزنًا لحملها على تغيير حركتها. كما أنها مرتبطة رسميًا بالكمية المادية للتسارع ، وهي التغيير في حركة الجسم.

أوضح قانون نيوتن الثالث للحركة بشكل أكبر كيف تأتي القوى في أزواج. تنص على أنه إذا طبق الجسم أ القوة على الجسم ب ، فإن الجسم ب يطبق القوة على الجسم أ التي تساوي في الحجم وفي الاتجاه المعاكس للقوة المؤثرة على الجسم ب.

يشرح قانون نيوتن الثالث سبب ارتداد البنادق عند إطلاقها ولماذا ، إذا وقفت على لوح تزلج وضغطت على الحائط ، فسينتهي بك الأمر بالتدحرج للخلف.

يمكن اعتبار القوة بمثابة دفع أو سحب. إذا كانت هناك قوة واحدة فقط تؤثر على جسم ما ، فإن هذه القوة المفردة ستؤدي إلى تغير حركة الجسم في تناسب عكسي مع كتلته.

القوة هي كمية متجهة ، بمعنى أن لها مقدارًا واتجاهًا. دائمًا ما يكون اتجاه القوة الكلية هو نفسه اتجاه التسارع أو التغيير الحركة (التي قد تكون معاكسة لاتجاه الحركة في مثل هذه المواقف التي يتباطأ فيها الجسم تحت.)

وحدة القوة في النظام الدولي للوحدات هي النيوتن حيث 1 نيوتن = 1 كجم / ثانية². وحدة CGS هي dyne حيث 1 dyne = 1gcm / s².

أنت تعلم بالفعل أنه يمكنك ممارسة قوة على جسم ما عن طريق دفعه أو سحبه. يشار إلى هذا باسم قوة الاتصال لأنه يتطلب الاتصال. ولكن هناك العديد من أنواع القوى الأخرى أيضًا.

تتضمن قائمة بعض القوى المشتركة التي تواجهها عند دراسة الفيزياء ما يلي:

• ​قوة الجاذبية:ال قوة الجاذبية على جسم ما أثناء حركة السقوط الحر ، حيث يتسارع الجسم نحو الأرض. لكن قوة الجاذبية هي أيضًا ما يُبقي الكواكب في مدارها ، وما يمنعك من الطيران إلى الفضاء.
• ​قوى طبيعية:هذه قوة دعم تعمل بشكل عمودي على السطح وهي ما يمنع الأشياء من السقوط عبر الأرض أو سطح الطاولة.
• ​القوة الكهرومغناطيسية:يشير هذا بشكل جماعي إلى القوى المغناطيسية والقوى الكهروستاتيكية. هذه الأنواع من القوى هي نتيجة الشحنة أو الشحنة المتحركة. هذا هو السبب في أن الإلكترونات تتنافر وتلتصق المغناطيس ببعضها البعض.
• ​قوى الاحتكاك:ال قوة الاحتكاك هي القوة التي تعارض حركة الجسم. هذا هو السبب في أنه من الصعب تمرير كتاب على الطاولة أكثر من تمرير كتاب على قطعة من الجليد. تختلف قوة الاحتكاك باختلاف الأسطح الملامسة لبعضها البعض.
• ​مقاومة الهواء:هذه القوة تشبه الاحتكاك. إنه ناتج عن مقاومة الهواء نفسه لحركة الأجسام التي تسقط من خلاله. إذا سقط جسم لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، فإن قوة مقاومة الهواء ستجعله يحقق سرعته النهائية.
• ​قوة التوتر:هذا نوع من القوة ينتقل عبر خيط أو سلك أو أي شيء مشابه.
• ​القوى الأساسية الأخرى:هناك أربع قوى أساسية في الطبيعة. اثنان هما الجاذبية والكهرومغناطيسية ، اللذان تم إدراجهما بالفعل ، والاثنان الآخران هما القوة النووية الضعيفة والقوة النووية القوية. عادةً ما يؤثر هذان العنصران الأخيران فقط على الأشياء على نطاق دون ذري ، وهذا هو السبب في أنك ربما لم تسمع بهما من قبل.

ذكر قانون نيوتن الثاني أ صافي القوة. القوة الكلية المؤثرة على الجسم هي مجموع متجه لجميع القوى المؤثرة على الجسم.

على سبيل المثال ، يمكن أن يكون لديك شخصان يدفعان كتلة في اتجاهين متعاكسين بقوة متساوية. لكن القوة المحصلة تنتهي بـ 0 ، مما يعني أن الكتلة لا تتحرك لأن هاتين القوتين تلغيان بعضهما البعض.

مخططات الجسم المجانية عبارة عن رسومات تخطيطية يمكنك رسمها تشير إلى حجم واتجاه كل متجه للقوة على كائن مع سهم بطول متناسب يشير إلى اتجاه القوة. عند حل المسائل الفيزيائية التي تنطوي على قوى ، من المحتمل أن ترسم الكثير من هذه المخططات بسبب ذلك يساعد في تصور القوى المؤثرة ويجعل الأمر أكثر وضوحًا حول كيفية جمع القوى معًا للحصول على الشبكة فرض.

إذا لم تكن هناك قوة صافية على جسم ما ، فهذا يعني ، من خلال قانون نيوتن الثاني ، أن تسارع الجسم يساوي صفرًا. بمعنى آخر ، يجب أن يكون للجسم سرعة ثابتة.

• لاحظ أن السرعة الثابتة تختلف عن السرعة 0. جسم يتحرك بمعدل ثابت 2 م / ث على سبيل المثال ، ليس بالضرورة له قوة صافية تؤثر عليه.

ربما سمعت عن قوة تسمى قوة الجاذبية. لم يتم سرد هذا مع القوى الأخرى في القسم السابق لأنه في الواقع نوع من صافي القوة. إنها القوة الكلية في الاتجاه الشعاعي لأي جسم يمر بحركة دائرية.

الحركة الدائرية ، حتى عند السرعة الثابتة ، ليست حركة سرعة ثابتة لأنها لا تحافظ على مسار مستقيم. يجب أن تعمل مجموعة من القوى لإحداث حركة دائرية. قوة الجاذبية المركزية هي صافي القوة الشعاعية التي تسبب هذا النوع من الحركة.

• لا تخلط بين قوة الجاذبية وقوة الطرد المركزي. هذا الأخير يعتبر في الواقع قوة زائفة. إنها القوة التي يبدو أنها تعمل على جسم يمر بحركة دائرية. على سبيل المثال ، عندما تكون في سيارة تنعطف ، قد تشعر وكأنك تتعرض للضغط على جانب السيارة ، ولكن ما يحدث بالفعل هو أن القوة تسحبك إلى داخل مسار منحني.

يبدو أن بعض القوى تتصرف في ظروف غامضة دون اتصال. أحد الأمثلة التي تعرفها هو قوة الجاذبية. عندما يتم إسقاط جسم ما ، تسحب الأرض ذلك الجسم تجاهه دون أن تلمسه.

إحدى الأدوات الرياضية التي طورها الفيزيائيون لوصف هذه الظاهرة هي فكرة المجال. (نعم ، "مجال قوة" ولكن ليس من النوع الذي يحميك من طوربيدات الفوتون!)

مجال الجاذبية هو التخصيص لكل نقطة في الفضاء ، والمتجه الذي يشير إلى المقدار النسبي و اتجاه قوة الجاذبية في ذلك الموقع بشكل مستقل عن الجسم الذي قد يتعرض لقوة في ذلك المكان موقعك. ستكون قيمة مجال الجاذبية في أي نقطة معينة هي ببساطة قوة الجاذبية التي ستشعر بها الكتلةمفي ذلك الموقع ، ولكن مقسومًا علىم​.

تسمح فكرة مجال القوة هذه بتفسير هذه القوى "الغامضة" التي يبدو أنها تعمل دون لمس أي شيء ، من خلال وصف القوة على أنها ناتجة عن تفاعل كائن مع مجال.

تمامًا مثل حقول الجاذبية ، يمكن أن يكون لديك أيضًا مجال كهربائي أو مجال مغناطيسي يصف القوة النسبية لكل وحدة شحنة أو (القوة لكل وحدة لحظة مغناطيسية) التي يشعر بها الجسم في أي شيء معين موقعك.