Hvad er kræfter? (Fysik)

Mens du sandsynligvis er fortrolig med ordet "kraft" og har hørt det brugt i daglige samtaler ("Jeg havde ikke noget valg - han tvang mig til at gøre det!"), Kender du fysikens definition af kraft?

I denne artikel lærer du ikke kun, hvad en kraft virkelig er, men hvor ideen kom fra, og hvordan den bruges i fysik.

For at komme i den rigtige fysiske tankegang for at forstå kræfter, husk hvad du kender til bevægelse. Du kan beskrive et objekts position (placering i rummet), og du kan beskrive, hvordan denne position ændres i tid; hastigheden for ændring af position pr. tidsenhed erhastighed. Du kan også beskrive, hvordan hastigheden ændres - hastigheden af ​​hastighedsændring pr. Tidsenhed kaldesacceleration​.

Disse fysiske størrelser - position, hastighed og acceleration - er alle vektormængder, hvilket betyder at de har størrelse og retning forbundet med sig.

Hvis en genstand er i ro, såsom en sten, der sidder på et fortov, er du sandsynligvis ret sikker på, at den bliver der, indtil noget får den til at bevæge sig. Enten går nogen langs fortovet med det, eller måske er klippen let nok til at blive skubbet af en stærk vind. Når dette sker, ændres dets bevægelse. Den fysiske størrelse, der forårsager denne ændring, er, som vi vil lære, en kraft.

Du har sandsynligvis også en vis fornemmelse af, at visse genstande er sværere at flytte end andre. Forestil dig en lille rullesten sammenlignet med en tung kampesten. Du bliver nødt til at sparke kampesten meget hårdere for at få den til at bevæge sig. Tilsvarende, hvis to objekter - en let og en tung - allerede bevægede sig, er det meget sværere at få det tungere til at stoppe.

Denne genstands modstand mod ændringer i dens bevægelse kaldes dens inerti. Hvor meget kraft der kræves for at vedtage en bestemt ændring vil vedrøre masse, hvilket er et mål for inerti.

Idéen om en styrke har eksisteret i lang tid, men den blev ikke forstået i vid udstrækning på grund af fejlagtige fortolkninger af friktion.

Aristoteles foreslog, at alle objekter har en naturlig tilstand, som de vil hvile i, og at de vil gøre det, medmindre en styrke handler. Han brugte denne opfattelse til at forklare, hvorfor genstande falder til jorden eller langsomt til et stop efter at være blevet skubbet.

Galileo afviste imidlertid denne idé og forklarede eksistensen af ​​en stopkraft kaldet friktion. Han besluttede, at genstande ville fortsætte med at bevæge sig i lige stier, hvis der ikke var nogen gnidning til at bremse dem.

Sir Isaac Newton gav en større formalisering til Galileos observationer med hans berømte tre love om bevægelse. Han var i stand til at beskrive, hvad kræfter gør, hvordan de virker og endda tilskrive tal med enheder til konceptet.

Newtons første bevægelseslov - undertiden kaldet inertiloven - siger, at et objekt i ro forbliver i en hviletilstand, medmindre en ubalanceret kraft virker på det. Denne del er ret intuitiv, når du tænker tilbage på at sparke klippen på fortovet. Desuden fastslår denne lov, at ethvert objekt, der gennemgår konstant hastighedsbevægelse (bevægelse med konstant hastighed i en lige sti) vil fortsætte med at gøre det, medmindre det påvirkes af en netto ekstern kraft.

Den anden del af den første lov er mindre intuitiv, fordi genstande ikke har tendens til at bevæge sig for evigt i vores daglige interaktioner. Men det er fordi de bliver handlet af en modstandskraft kaldet friktion.

Newtons anden bevægelseslov siger, at nettokraften på et objekt (som er vektorsummen af ​​alle kræfter, der virker) er lig med produktet af objektets masse og acceleration. Med andre ord:

Newtons anden bevægelseslov kunne forklare, hvorfor det er, at du er nødt til at skubbe hårdere på tunge genstande, end du gør på lettere genstande for at få dem til at ændre deres bevægelse. Det relaterede også formelt kraft til den fysiske størrelse af acceleration, hvilket er ændringen i objektets bevægelse.

Newtons tredje bevægelseslov forklarede yderligere, hvordan kræfter kommer parvis. Det hedder, at hvis objekt A anvender kraft på objekt B, så anvender objekt B kraft til objekt A, der er lige stort og i den modsatte retning af kraften på objekt B.

Newtons tredje lov forklarer, hvorfor kanoner ryger, når de bliver skudt, og hvorfor, hvis du står på et skateboard og skubber mod en væg, ender du med at rulle baglæns.

En kraft kan betragtes som et skub eller et træk. Hvis kun en enkelt kraft virker på et objekt, vil den ene kraft få objektets bevægelse til at ændre sig omvendt i forhold til dens masse.

Kraft er en vektormængde, hvilket betyder at den har størrelse og retning. Retningen af ​​en nettokraft er altid den samme som retningen for acceleration eller ændring af bevægelse (som kan være modsat bevægelsesretningen i sådanne situationer, hvor et objekt bremser ned.)

SI-kraftenheden er newtonen, hvor 1 N = 1 kgm / s². CGS-enheden er farvestoffet, hvor 1 dyne = 1 gcm / s².

Du ved allerede, at du selv kan udøve en kraft på en genstand ved at skubbe den eller trække i den. Dette kaldes en kontaktstyrke, fordi det kræver kontakt. Men der er også mange andre typer kræfter.

En liste over nogle almindelige kræfter, du støder på, når du studerer fysik, inkluderer følgende:

• ​Gravitationskraft:Det tyngdekraften på en genstand kan observeres under frit fald, hvor en genstand accelererer mod jorden. Men tyngdekraften er også det, der holder planeter i kredsløb, og hvad der forhindrer dig i at flyve ud i rummet.
• ​Normal kraft:Dette er en støttekraft, der virker vinkelret på en overflade og forhindrer genstande i at falde gennem gulvet eller en bordplade.
• ​Elektromagnetisk kraft:Dette refererer samlet til magnetiske kræfter og elektrostatiske kræfter. Disse typer kræfter er resultatet af ladning eller bevægelig ladning. Det er grunden til, at elektroner frastøder hinanden, og magneter holder sammen.
• ​Friktionskræfter:Det friktionskraft er en kraft, der modsætter sig en genstands bevægelse. Det er grunden til, at det er sværere at skubbe en bog hen over bordet, end det er at glide en bog hen over et ark is. Friktionskraften varierer afhængigt af overfladerne, der er i kontakt med hinanden.
• ​Luftmodstand:Denne kraft svarer til friktion. Det skyldes, at selve luften modsætter sig bevægelsen af ​​genstande, der falder igennem den. Hvis en genstand falder længe nok, vil luftmodstandskraften få den til at nå sin terminalhastighed.
• ​Spændingskraft:Dette er en type kraft, der overføres langs en streng, ledning eller noget lignende.
• ​Andre grundlæggende kræfter:Der er fire grundlæggende naturkræfter. To er tyngdekraften og elektromagnetismen, som allerede var anført, og de to andre er den svage atomkraft og den stærke atomkraft. Disse sidste to påvirker typisk kun ting i en subatomær skala, hvorfor du måske aldrig har hørt om dem.

Newtons anden lov omtalte en nettokraft. Nettokraften på et objekt er vektorsummen af ​​alle kræfter, der virker på et objekt.

For eksempel kan du have to personer, der skubber på en blok i modsatte retninger med lige kræfter. Men nettokraften ender med at blive 0, hvilket betyder, at blokken ikke bevæger sig, fordi de to kræfter annullerer hinanden.

Gratis kropsdiagrammer er skitser, du kan tegne, der angiver størrelsen og retningen af ​​hver kraftvektor på et objekt med en pil med proportional længde, der peger i retning af kraften. Når du løser fysiske problemer, der involverer kræfter, tegner du sandsynligvis mange af disse diagrammer, fordi det hjælper med at visualisere, hvilke kræfter der virker, og gør det mere klart, hvordan man tilføjer kræfterne for at få nettet kraft.

Hvis der ikke er nogen nettokraft på et objekt, betyder det via Newtons anden lov, at accelerationen af ​​objektet er 0. Med andre ord skal objektet have en konstant hastighed.

• Bemærk, at konstant hastighed ikke er den samme som 0-hastighed. En genstand, der bevæger sig med konstant 2 m / s, har for eksempel nødvendigvis ingen nettokraft, der virker på den.

Du har måske hørt om en styrke kaldet centripetal force. Dette blev ikke opført med de andre kræfter i det foregående afsnit, fordi det faktisk er en type nettokraft. Det er nettokraften i radial retning for ethvert objekt, der gennemgår cirkulær bevægelse.

Cirkulær bevægelse, selv ved konstant hastighed, er ikke konstant hastighedsbevægelse, fordi den ikke opretholder en lige sti. En eller anden kombination af kræfter skal virke for at forårsage cirkulær bevægelse. Den centripetale kraft er den radiale nettokraft, der forårsager denne type bevægelse.

• Forveks ikke centripetalkraft med centrifugalkraft. Sidstnævnte betragtes faktisk som en pseudokraft. Det er den kraft, der ser ud til at virke på et objekt, der gennemgår cirkulær bevægelse. For eksempel, når du er i en bil, der drejer et hjørne, kan du føle, at du bliver trykket ned mod siden af ​​bilen, men hvad der faktisk sker er, at en kraft trækker dig ind i en buet sti.

Visse kræfter ser ud til at handle mystisk uden kontakt. Et eksempel, du er bekendt med, er tyngdekraften. Når en genstand tabes, trækker jorden den genstand mod den uden at røre ved den.

Et matematisk værktøj, som fysikere udviklede til at beskrive dette fænomen, er forestillingen om et felt. (Ja, et "kraftfelt", men ikke den slags, der beskytter dig mod foton-torpedoer!)

Et tyngdefelt er tildelingen til hvert punkt i rummet en vektor, der angiver den relative størrelse og retning af tyngdekraften på dette sted uafhængigt af, hvilket objekt der kan opleve en kraft ved det Beliggenhed. Værdien af ​​tyngdefeltet på et hvilket som helst punkt ville simpelthen være tyngdekraften, der kunne mærkes af en massempå det sted, men divideret medm​.

Denne forestilling om et kraftfelt giver mulighed for en forklaring på disse "mystiske" kræfter, der ser ud til at virke uden at røre ved noget ved at beskrive kraften som følge af et objekt, der interagerer med Mark.

Ligesom gravitationsfelter kan du også have et elektrisk felt eller et magnetfelt, der beskriver relativ kraft pr. enhedsopladning eller (kraft pr. magnetisk moment), som en genstand vil føle sig specielt Beliggenhed.