Co jsou síly? (Fyzika)

I když jste pravděpodobně obeznámeni se slovem „síla“ a slyšeli jste, že se používá v každodenních rozhovorech („Neměl jsem na výběr - přinutil mě k tomu!“), Znáte fyzikální definici síly?

V tomto článku se dozvíte nejen to, co síla ve skutečnosti je, ale také to, odkud tato myšlenka pochází a jak se používá ve fyzice.

Abyste získali správné fyzikální myšlení pro porozumění silám, připomeňte si, o čem víte pohyb. Můžete popsat polohu objektu (umístění v prostoru) a můžete popsat, jak se tato poloha mění v čase; rychlost změny polohy za jednotku času jerychlost. Můžete také popsat, jak se tato rychlost mění - nazývá se rychlost změny rychlosti za jednotku časuakcelerace​.

Tyto fyzikální veličiny - poloha, rychlost a zrychlení - jsou všechny vektorové veličiny, což znamená, že je s nimi spojena velikost a směr.

Pokud je předmět v klidu, například skála sedící na chodníku, pravděpodobně jste si docela jisti, že tam zůstane, dokud se s ním něco nehne. Buď to někdo chodící po chodníku nakopne, nebo je možná skála dostatečně lehká, aby ji mohl tlačit silný vítr. Když k tomu dojde, jeho pohyb se změní. Fyzikální veličina, která způsobí tuto změnu, jak se dovíme, je síla.

Pravděpodobně také máte určitý pocit, že s určitými předměty je obtížnější se pohybovat než s jinými. Představte si malý oblázek ve srovnání s těžkým balvanem. Do balvanu byste museli kopnout mnohem tvrději, aby se mohl hýbat. Podobně, pokud se již pohybovaly dva objekty - lehký a těžký -, je mnohem těžší zastavit těžší.

Tento odpor objektu vůči jakýmkoli změnám v jeho pohybu se nazývá jeho setrvačnost. Kolik síly je zapotřebí k provedení určité změny bude souviset s hmotou, což je míra setrvačnosti.

Myšlenka na sílu existuje už dlouho, ale z velké části nebyla dobře pochopena kvůli nesprávným interpretacím tření.

Aristoteles navrhl, aby všechny objekty měly přirozený stav, ve kterém chtějí odpočívat, a že tak učiní, pokud nejedná síla. Použil tuto představu k vysvětlení, proč objekty padají na zem nebo se zpomalí až zastaví po zatlačení.

Galileo však vyvrátil tuto myšlenku a vysvětlil existenci zastavovací síly zvané tření. Zjistil, že objekty se budou pohybovat po přímočarých drahách, pokud nebude existovat tření, které by je zpomalilo.

Sir Isaac Newton dal větší formalizaci pozorování Galileo se svým slavným tři zákony pohybu. Dokázal popsat, co síly dělají, jak působí, a dokonce konceptu připisovat čísla s jednotkami.

Newtonův první zákon pohybu - někdy nazývaný zákon setrvačnosti - uvádí, že předmět v klidu zůstává ve stavu klidu, pokud na něj nepůsobí nevyvážená síla. Tato část je docela intuitivní, když si vzpomínáte na kopání skály na chodníku. Tento zákon dále stanoví, že jakýkoli objekt podstupující pohyb s konstantní rychlostí (pohyb konstantní rychlostí v přímočaré dráze) to bude dělat i nadále, pokud na něj nebude působit čistá vnější síla.

Tato druhá část prvního zákona je méně intuitivní, protože v našich každodenních interakcích objekty nemají tendenci se pohybovat navždy. Ale je to proto, že na ně působí odporová síla zvaná tření.

Newtonův druhý zákon pohybu uvádí, že čistá síla na objekt (což je vektorový součet všech působících sil) se rovná součinu objektu Hmotnost a zrychlení. Jinými slovy:

Newtonův druhý zákon pohybu dokázal vysvětlit, proč to je tak, že musíte tvrdě tlačit na těžké předměty než na lehčí předměty, abyste je přiměli změnit svůj pohyb. Rovněž formálně souvisí síla s fyzickou veličinou zrychlení, což je změna v pohybu objektu.

Newtonův třetí zákon pohybu dále vysvětlil, jak síly přicházejí ve dvojicích. Uvádí, že pokud objekt A aplikuje sílu na objekt B, pak objekt B aplikuje sílu na objekt A, která je stejná co do velikosti a v opačném směru síly na objekt B.

Newtonův třetí zákon vysvětluje, proč zbraně při výstřelu cívají a proč, když stojíte na skateboardu a tlačíte na zeď, nakonec se točí dozadu.

Síla může být považována za tlak nebo tah. Pokud na objekt působí pouze jedna síla, tato jediná síla způsobí, že se pohyb objektu změní v nepřímém poměru k jeho hmotnosti.

Síla je vektorová veličina, což znamená, že má velikost a směr. Směr čisté síly je vždy stejný jako směr zrychlení nebo změny pohyb (který může být v opačném směru pohybu v situacích, kdy předmět zpomaluje dolů.)

SI jednotka síly je newton, kde 1 N = 1 kgm / s². Jednotkou CGS je dyn, kde 1 dyn = 1 gcm / s².

Už víte, že můžete na předmět vyvinout sílu sami tím, že ho zatlačíte nebo zatáhnete. Toto se označuje jako kontaktní síla, protože vyžaduje kontakt. Existuje ale také mnoho dalších typů sil.

Seznam některých běžných sil, se kterými se setkáte při studiu fyziky, zahrnuje následující:

• ​Gravitační síla:The gravitační síla na objektu lze pozorovat během pohybu volným pádem, při kterém předmět zrychluje směrem k zemi. Gravitační síla je však také to, co udržuje planety na oběžné dráze, a to, co vám brání v odletu do vesmíru.
• ​Normální síla:Jedná se o podpůrnou sílu, která působí kolmo na povrch a je to, co zabraňuje pádu předmětů skrz podlahu nebo desku stolu.
• ​Elektromagnetická síla:To se souhrnně týká magnetických sil a elektrostatických sil. Tyto typy sil jsou výsledkem náboje nebo pohyblivého náboje. To je důvod, proč se elektrony navzájem odpuzují a magnety drží pohromadě.
• ​Třecí síly:The síla tření je síla, která oponuje pohybu objektu. To je důvod, proč je obtížnější posunout knihu přes stůl, než je posunout knihu přes ledový list. Síla tření se mění v závislosti na povrchech, které jsou ve vzájemném kontaktu.
• ​Odpor vzduchu:Tato síla je podobná tření. Vyplývá to ze samotného vzduchu, který se staví proti pohybu předmětů padajících skrz něj. Pokud předmět padne dostatečně dlouho, síla odporu vzduchu způsobí, že dosáhne své koncové rychlosti.
• ​Napínací síla:Jedná se o typ síly, která se přenáší podél provázku, drátu nebo čehokoli podobného.
• ​Další základní síly:Existují čtyři základní síly přírody. Dva jsou gravitace a elektromagnetismus, které již byly uvedeny, a další dva jsou slabá jaderná síla a silná jaderná síla. Tyto poslední dva obvykle ovlivňují pouze věci v subatomárním měřítku, a proto jste o nich možná nikdy neslyšeli.

Newtonův druhý zákon zmiňuje a čistá síla. Čistá síla na objekt je vektorovým součtem všech sil působících na objekt.

Například můžete mít dva lidi, kteří tlačí na blok v opačných směrech se stejnými silami. Čistá síla ale nakonec bude 0, což znamená, že blok se nepohybuje, protože tyto dvě síly se navzájem ruší.

Diagramy volného těla jsou náčrtky, které můžete nakreslit a označovat velikost a směr každého vektoru síly na objekt pomocí šipky proporcionální délky směřující ve směru síly. Při řešení fyzických problémů zahrnujících síly budete pravděpodobně načrtávat mnoho těchto diagramů, protože to pomáhá vizualizovat, jaké síly působí, a objasňuje, jak spojit síly dohromady a získat síť platnost.

Pokud na objekt neexistuje žádná čistá síla, znamená to podle druhého Newtonova zákona, že zrychlení objektu je 0. Jinými slovy, objekt musí mít konstantní rychlost.

• Konstantní rychlost není stejná jako rychlost 0. Například objekt pohybující se konstantní rychlostí 2 m / s na něj nutně nepůsobí žádná čistá síla.

Možná jste slyšeli o síle zvané dostředivá síla. Toto nebylo uvedeno u ostatních sil v předchozí části, protože se ve skutečnosti jedná o typ čisté síly. Je to čistá síla v radiálním směru pro jakýkoli objekt podstupující kruhový pohyb.

Kruhový pohyb, dokonce i při konstantní rychlosti, není pohybem konstantní rychlosti, protože neudržuje přímou dráhu. Určitá kombinace sil musí působit, aby způsobila kruhový pohyb. Dostředivá síla je radiální čistá síla, která způsobuje tento typ pohybu.

• Nezaměňujte dostředivou sílu s odstředivou silou. Ta druhá je ve skutečnosti považována za pseudo-sílu. Je to síla, která zřejmě působí na objekt podstupující kruhový pohyb. Například když jste v autě, které zatáčí, můžete mít pocit, že na vás tlačí proti boku auta, ale to, co se ve skutečnosti děje, je, že vás síla táhne do a zakřivená cesta.

Zdá se, že určité síly jednají záhadně bez kontaktu. Jedním příkladem, který znáte, je gravitační síla. Když předmět spadne, Země jej přitáhne k sobě, aniž by se ho dotkla.

Jedním z matematických nástrojů, které fyzici vyvinuli k popisu tohoto jevu, je pojem pole. (Ano, „silové pole“, ale ne takové, které vás chrání před fotonovými torpédy!)

Gravitační pole je přiřazení ke každému bodu v prostoru vektor, který označuje relativní velikost a směr gravitační síly v daném místě bez ohledu na to, jaký objekt v něm může působit umístění. Hodnota gravitačního pole v kterémkoli daném bodě by byla jednoduše gravitační silou, kterou by hmota pocítilamna tomto místě, ale dělenom​.

Tato představa silového pole umožňuje vysvětlení těchto „záhadných“ sil, které, jak se zdá, působí aniž by se čehokoli dotkli, popisováním síly, která je výsledkem interakce objektu s pole.

Stejně jako gravitační pole můžete mít také elektrické pole nebo magnetické pole, které popisuje relativní síla na jednotku náboje nebo (síla na jednotku magnetického momentu), kterou by předmět konkrétně pocítil umístění.