Какво представляват Силите? (Физика)

Въпреки че вероятно сте запознати с думата „сила“ и сте я чували да се използва в ежедневни разговори („Нямах избор - той ме принуди да го направя!“), Знаете ли физическото определение за сила?

В тази статия ще научите не само какво в действителност е сила, но откъде идва идеята и как се използва във физиката.

За да влезете в правилното физическо мислене за разбиране на силите, припомнете си какво знаете движение. Можете да опишете позицията на обекта (местоположение в пространството) и можете да опишете как тази позиция се променя във времето; скоростта на промяна на позицията за единица време ескорост. Можете също така да опишете как се променя тази скорост - нарича се скоростта на промяна на скоростта за единица времеускорение​.

Тези физически величини - позиция, скорост и ускорение - са всички векторни величини, което означава, че имат величина и посока, свързани с тях.

Ако даден обект е в покой, например скала, седнала на тротоар, вероятно сте доста уверени, че той ще остане там, докато нещо не го накара да се движи. Или някой, който се разхожда по тротоара, го рита, или може би скалата е достатъчно лека, за да бъде изтласкана от силен вятър. Когато това се случи, движението му се променя. Както ще научим, физическата величина, която причинява тази промяна, е сила.

Вероятно имате и някакво усещане, че определени обекти се движат по-трудно от други. Представете си малко камъче в сравнение с тежък камък. Ще трябва да ритате камъка много по-силно, за да го накарате да се движи. По същия начин, ако два обекта - лек и тежък - вече се движат, е много по-трудно да спрете по-тежкия.

Тази устойчивост на даден обект на всякакви промени в неговото движение се нарича негова инерция. Колко сила е необходима, за да се осъществи определена промяна, ще бъде свързана с масата, която е мярка за инерция.

Идеята за сила съществува отдавна, но до голяма степен не беше добре разбрана поради погрешни интерпретации на триенето.

Аристотел предложи всички обекти да имат естествено състояние, в което искат да си починат и че ще го направят, освен ако не действа сила. Той използва това понятие, за да обясни защо обектите падат на земята или се забавят до спиране след натискане.

Галилей обаче опроверга тази идея и обясни съществуването на спираща сила, наречена триене. Той определи, че обектите ще продължат да се движат по прави линии, ако няма триене, което да ги забави.

Сър Исак Нютон даде по-голяма формализация на наблюденията на Галилей със своите известни три закона за движение. Той успя да опише какво правят силите, как действат и дори да приписва числа с единици на концепцията.

Първият закон за движение на Нютон - понякога наричан закон на инерцията - гласи, че обектът в покой остава в състояние на покой, освен ако върху него не действа неуравновесена сила. Тази част е доста интуитивна, когато се сетите да ритате скалата на тротоара. Освен това този закон гласи, че всеки обект, подложен на движение с постоянна скорост (движение с постоянна скорост по права линия), ще продължи да го прави, освен ако не се действа от нетна външна сила.

Тази втора част от първия закон е по-малко интуитивна, защото в ежедневните ни взаимодействия обектите не са склонни да продължат да се движат вечно. Но това е така, защото върху тях се действа съпротивителна сила, наречена триене.

Вторият закон за движение на Нютон гласи, че нетната сила върху даден обект (което е векторната сума на всички действащи сили) е равна на произведението на маса и ускорение. С други думи:

Вторият закон за движение на Нютон успя да обясни защо е така, че трябва да натискате по-силно върху тежки предмети, отколкото върху по-леки предмети, за да ги накарате да променят движението си. Той също така формално свързва силата с физическото количество ускорение, което е промяната в движението на обекта.

Третият закон за движение на Нютон допълнително обяснява как силите идват по двойки. Той гласи, че ако обект A прилага сила към обект B, тогава обект B прилага сила към обект A, която е равна по големина и в обратна посока на силата върху обект B.

Третият закон на Нютон обяснява защо пистолетите се отдръпват, когато са изстреляни и защо, ако застанете на скейтборд и натиснете до стена, накрая се търкаляте назад.

Силата може да се разглежда като тласък или придърпване. Ако върху даден обект действа само една сила, тази единична сила ще накара движението на обекта да се промени обратно пропорционално на неговата маса.

Силата е векторна величина, което означава, че тя има величина и посока. Посоката на нетната сила винаги е същата като посоката на ускорението или промяната на движение (което може да е противоположно на посоката на движение в такива ситуации, когато обектът се забавя надолу.)

Силовата единица SI е нютонът, където 1 N = 1 kgm / s². CGS единицата е динът, където 1 дин = 1gcm / s².

Вече знаете, че можете сами да упражните сила върху даден предмет, като го бутате или дърпате. Това се нарича контактна сила, защото изисква контакт. Но има и много други видове сили.

Списък на някои общи сили, с които се сблъсквате, когато изучавате физика, включва следното:

• ​Гравитационна сила:The сила на гравитацията върху обект може да се наблюдава по време на движение при свободно падане, при което обектът се ускорява към земята. Но гравитационната сила е и това, което поддържа планетите в орбита и това, което ви предпазва от излитане в космоса.
• ​Нормална сила:Това е опорна сила, която действа перпендикулярно на повърхността и е това, което предотвратява падането на предмети през пода или плота на масата.
• ​Електромагнитна сила:Това се отнася общо за магнитни сили и електростатични сили. Този тип сили са резултат от заряд или движещ се заряд. Това е причината електроните да се отблъскват и магнитите да се слепват.
• ​Сили на триене:The сила на триене е сила, която се противопоставя на движението на обект. Това е причината да е по-трудно да плъзнете книга през масата, отколкото да плъзнете книга през лист лед. Силата на триене варира в зависимост от повърхностите, които са в контакт помежду си.
• ​Въздушно съпротиление:Тази сила е подобна на триенето. Това е резултат от противопоставянето на самия въздух на движението на падащите през него предмети. Ако даден обект падне достатъчно дълго, силата на въздушното съпротивление ще го накара да постигне крайната си скорост.
• ​Сила на опън:Това е вид сила, която се предава по низ, тел или нещо подобно.
• ​Други основни сили:Има четири основни природни сили. Двете са гравитацията и електромагнетизмът, които вече бяха изброени, а другите две са слабата ядрена сила и силната ядрена сила. Последните две обикновено засягат нещата само в субатомна скала, поради което може би никога не сте чували за тях.

Вторият закон на Нютон споменава a нетна сила. Нетната сила върху обект е векторната сума на всички сили, действащи върху обект.

Например можете да накарате двама души да натискат блок в противоположни посоки с еднакви сили. Но нетната сила в крайна сметка е 0, което означава, че блокът не се движи, защото тези две сили се отменят взаимно.

Схемите на свободното тяло са скици, които можете да начертаете, показващи големината и посоката на всеки вектор на сила върху обект със стрелка с пропорционална дължина, насочена в посоката на силата. Когато решавате физически проблеми, включващи сили, вероятно ще скицирате много от тези диаграми, защото това е така помага да се визуализира какви сили действат и прави по-ясно как да се съберат силите, за да се получи мрежата сила.

Ако върху обекта няма нетна сила, това означава, чрез втория закон на Нютон, че ускорението на обекта е 0. С други думи, обектът трябва да има постоянна скорост.

• Обърнете внимание, че постоянната скорост не е същата като 0 скорост. Например обект, движещ се с константа 2 m / s, задължително не притежава нетна сила, действаща върху него.

Може би сте чували за сила, наречена центростремителна сила. Това не беше изброено с другите сили в предишния раздел, защото всъщност е вид чиста сила. Това е нетната сила в радиалната посока за всеки обект, подложен на кръгово движение.

Кръговото движение, дори при постоянна скорост, не е движение с постоянна скорост, защото не поддържа права линия. Някаква комбинация от сили трябва да действа, за да предизвика кръгово движение. Центростремителната сила е радиалната нетна сила, която причинява този тип движение.

• Не бъркайте центростремителната сила с центробежната сила. Последното всъщност се счита за псевдосила. Това е силата, която изглежда действа върху обект, подложен на кръгово движение. Например, когато сте в кола, която завива зад завоя, може да се почувствате като притиснати срещу страната на колата, но това, което всъщност се случва, е, че сила ви дърпа в a извита пътека.

Изглежда, че определени сили действат мистериозно без контакт. Един пример, който познавате, е гравитационната сила. Когато предмет падне, земята го привлича към него, без дори да го докосва.

Един математически инструмент, който физиците са разработили, за да опишат това явление, е понятието поле. (Да, „силово поле“, но не от вида, който ви предпазва от фотонните торпеда!)

Гравитационното поле е присвояване на всяка точка в пространството вектор, който показва относителната величина и посока на гравитационната сила в това място, независимо от това кой обект може да изпитва сила при това местоположение. Стойността на гравитационното поле във всяка дадена точка просто би била гравитационната сила, която би се усетила от масамна това място, но разделено нам​.

Това понятие за силово поле дава възможност за обяснение на тези „мистериозни“ сили, които изглежда действат без да докосвате нищо, като описвате силата като резултат от обект, взаимодействащ с поле.

Подобно на гравитационните полета, можете също да имате електрическо поле или магнитно поле, които описват относителна сила на единица заряд или (сила на единица магнитен момент), която даден обект би почувствал във всеки конкретен случай местоположение.