Τι είναι οι δυνάμεις; (Η φυσικη)

Ενώ είστε πιθανώς εξοικειωμένοι με τη λέξη «δύναμη» και το έχετε ακούσει να χρησιμοποιείται σε καθημερινές συνομιλίες («Δεν είχα άλλη επιλογή - με ανάγκασε να το κάνω!»), Ξέρετε τον ορισμό της δύναμης της φυσικής;

Σε αυτό το άρθρο θα μάθετε όχι μόνο τι είναι πραγματικά μια δύναμη, αλλά από πού προήλθε η ιδέα και πώς χρησιμοποιείται στη φυσική.

Για να αποκτήσετε τη σωστή νοοτροπία φυσικής για την κατανόηση των δυνάμεων, θυμηθείτε τι γνωρίζετε κίνηση. Μπορείτε να περιγράψετε τη θέση ενός αντικειμένου (θέση στο διάστημα) και μπορείτε να περιγράψετε πώς αλλάζει αυτή η θέση στο χρόνο. ο ρυθμός αλλαγής θέσης ανά μονάδα χρόνου είναι τοταχύτητα. Μπορείτε επίσης να περιγράψετε πώς αλλάζει αυτή η ταχύτητα - καλείται ο ρυθμός αλλαγής της ταχύτητας ανά μονάδα χρόνουεπιτάχυνση​.

Αυτές οι φυσικές ποσότητες - θέση, ταχύτητα και επιτάχυνση - είναι όλες διανυσματικές ποσότητες, που σημαίνει ότι έχουν μέγεθος και κατεύθυνση που σχετίζεται με αυτά.

Εάν ένα αντικείμενο είναι σε ηρεμία, όπως ένας βράχος που κάθεται σε ένα πεζοδρόμιο, πιθανότατα είστε αρκετά σίγουροι ότι θα παραμείνει εκεί έως ότου κάτι το κάνει. Είτε κάποιος περπατά κατά μήκος του πεζοδρομίου το κλωτσάει, ή ίσως ο βράχος είναι αρκετά ελαφρύς ώστε να ωθείται από έναν δυνατό άνεμο. Όταν συμβεί αυτό, η κίνησή του αλλάζει. Η φυσική ποσότητα που προκαλεί αυτήν την αλλαγή, όπως θα μάθουμε, είναι μια δύναμη.

Ίσως έχετε επίσης κάποια αίσθηση ότι ορισμένα αντικείμενα είναι πιο δύσκολο να μετακινηθούν από άλλα. Φανταστείτε ένα μικρό βότσαλο σε σύγκριση με έναν βαρύ λίθο. Θα χρειαστεί να κλωτσήσετε τον λίθο πολύ πιο σκληρά για να το κάνετε να κινηθεί. Ομοίως, εάν δύο αντικείμενα - ένα ελαφρύ και ένα βαρύ - είχαν ήδη κινηθεί, είναι πολύ πιο δύσκολο να σταματήσετε το βαρύτερο.

Αυτή η αντίσταση ενός αντικειμένου σε τυχόν αλλαγές στην κίνησή του ονομάζεται αδράνεια. Πόση δύναμη απαιτείται για να επιτευχθεί μια συγκεκριμένη αλλαγή θα σχετίζεται με τη μάζα, η οποία είναι ένα μέτρο αδράνειας.

Η ιδέα μιας δύναμης υπήρχε εδώ και πολύ καιρό, αλλά δεν ήταν κατανοητή σε μεγάλο βαθμό λόγω εσφαλμένων ερμηνειών της τριβής.

Ο Αριστοτέλης πρότεινε ότι όλα τα αντικείμενα έχουν μια φυσική κατάσταση στην οποία θέλουν να ξεκουραστούν και ότι θα το κάνουν, εκτός εάν ενεργήσει μια δύναμη. Χρησιμοποίησε αυτήν την ιδέα για να εξηγήσει γιατί τα αντικείμενα πέφτουν στη γη, ή αργά σταματά αφού σπρώχνονται.

Ο Γαλιλαίος, ωστόσο, αντέκρουσε αυτήν την ιδέα και εξήγησε την ύπαρξη μιας δύναμης στάσης που ονομάζεται τριβή. Προσδιόρισε ότι τα αντικείμενα θα συνεχίσουν να κινούνται σε ευθεία μονοπάτια εάν δεν υπήρχε τριβή για να τα επιβραδύνουν.

Ο Σερ Ισαάκ Νεύτωνας έδωσε μια μεγαλύτερη τυποποίηση στις παρατηρήσεις του Γαλιλαίου με τον διάσημο τρεις νόμους κίνησης. Ήταν σε θέση να περιγράψει τι κάνουν οι δυνάμεις, πώς ενεργούν και ακόμη και να αποδώσουν αριθμούς με μονάδες στην ιδέα.

Ο πρώτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα - μερικές φορές ονομάζεται νόμος αδράνειας - δηλώνει ότι ένα αντικείμενο σε κατάσταση ηρεμίας παραμένει σε κατάσταση ηρεμίας, εκτός αν μια ασυμβίβαστη δύναμη ενεργεί πάνω του. Αυτό το μέρος είναι πολύ διαισθητικό όταν σκέφτεστε να κλωτσήσετε το βράχο στο πεζοδρόμιο. Επιπλέον, αυτός ο νόμος δηλώνει ότι κάθε αντικείμενο που βρίσκεται σε κίνηση σταθερής ταχύτητας (κίνηση με σταθερή ταχύτητα σε ευθεία διαδρομή) θα συνεχίσει να το κάνει εκτός αν ενεργηθεί από καθαρή εξωτερική δύναμη.

Αυτό το δεύτερο μέρος του πρώτου νόμου είναι λιγότερο διαισθητικό γιατί στις καθημερινές μας αλληλεπιδράσεις, τα αντικείμενα δεν τείνουν να συνεχίζουν να κινούνται για πάντα. Αλλά αυτό οφείλεται σε μια ανθεκτική δύναμη που ονομάζεται τριβή.

Ο δεύτερος νόμος κίνησης του Νεύτωνα αναφέρει ότι η καθαρή δύναμη σε ένα αντικείμενο (που είναι το διανυσματικό άθροισμα όλων των δυνάμεων που ενεργούν) είναι ίση με το προϊόν του αντικειμένου μάζα και επιτάχυνση. Με άλλα λόγια:

Ο δεύτερος νόμος κίνησης του Νεύτωνα ήταν σε θέση να εξηγήσει γιατί είναι ότι πρέπει να πιέζετε πιο σκληρά σε βαριά αντικείμενα από ότι σε ελαφρύτερα αντικείμενα για να τα κάνετε να αλλάξουν την κίνησή τους. Επίσης, συσχετίζει επίσημα τη δύναμη με τη φυσική ποσότητα επιτάχυνσης, η οποία είναι η αλλαγή στην κίνηση του αντικειμένου.

Ο τρίτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα εξήγησε περαιτέρω πώς οι δυνάμεις έρχονται σε ζεύγη. Δηλώνει ότι εάν το αντικείμενο Α εφαρμόζει δύναμη στο αντικείμενο Β, τότε το αντικείμενο Β εφαρμόζει δύναμη στο αντικείμενο Α που είναι ίσο σε μέγεθος και στην αντίθετη κατεύθυνση της δύναμης στο αντικείμενο Β.

Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα εξηγεί γιατί τα όπλα υποχωρούν όταν πυροβολούνται και γιατί, αν στέκεστε σε ένα σκέιτμπορντ και σπρώχνετε έναν τοίχο, καταλήγετε να γυρίζετε προς τα πίσω.

Μια δύναμη μπορεί να θεωρηθεί ως ώθηση ή έλξη. Εάν μόνο μία δύναμη ενεργεί σε ένα αντικείμενο, αυτή η μοναδική δύναμη θα προκαλέσει την αλλαγή της κίνησης του αντικειμένου σε αντίστροφη αναλογία με τη μάζα του.

Η δύναμη είναι μια διανυσματική ποσότητα, που σημαίνει ότι έχει μέγεθος και κατεύθυνση. Η κατεύθυνση μιας καθαρής δύναμης είναι πάντα η ίδια με την κατεύθυνση της επιτάχυνσης ή της αλλαγής κίνηση (η οποία μπορεί να είναι αντίθετη από την κατεύθυνση της κίνησης σε τέτοιες καταστάσεις όπου ένα αντικείμενο επιβραδύνεται κάτω.)

Η μονάδα δύναμης SI είναι το Newton όπου 1 N = 1 kgm / s². Η μονάδα CGS είναι το dyne όπου 1 dyne = 1gcm / s².

Γνωρίζετε ήδη ότι μπορείτε να ασκήσετε δύναμη σε ένα αντικείμενο μόνοι σας ωθώντας το ή τραβώντας το. Αυτό αναφέρεται ως δύναμη επαφής επειδή απαιτεί επαφή. Υπάρχουν όμως και πολλοί άλλοι τύποι δυνάμεων.

Μια λίστα με ορισμένες κοινές δυνάμεις που συναντάτε κατά τη μελέτη της φυσικής περιλαμβάνει τα ακόλουθα:

• ​Βαρυτική δύναμη:ο δύναμη βαρύτητας σε ένα αντικείμενο μπορεί να παρατηρηθεί κατά την κίνηση ελεύθερης πτώσης, κατά την οποία ένα αντικείμενο επιταχύνεται προς το έδαφος. Αλλά η βαρυτική δύναμη είναι επίσης αυτό που κρατά τους πλανήτες σε τροχιά και αυτό που σας εμποδίζει να πετάξετε στο διάστημα.
• ​Κανονική δύναμη:Αυτή είναι μια δύναμη στήριξης που ενεργεί κάθετα σε μια επιφάνεια και είναι αυτό που εμποδίζει την πτώση των αντικειμένων από το πάτωμα ή την κορυφή του τραπεζιού.
• ​Ηλεκτρομαγνητική δύναμη:Αυτό αναφέρεται συλλογικά σε μαγνητικές δυνάμεις και ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Αυτοί οι τύποι δυνάμεων είναι το αποτέλεσμα του φορτίου ή του κινούμενου φορτίου. Είναι ο λόγος που τα ηλεκτρόνια απωθούν το ένα το άλλο και οι μαγνήτες κολλάνε μεταξύ τους.
• ​Δυνάμεις τριβής:ο δύναμη τριβής είναι μια δύναμη που αντιτίθεται στην κίνηση ενός αντικειμένου. Είναι ο λόγος που είναι πιο δύσκολο να σύρετε ένα βιβλίο σε ολόκληρο το τραπέζι από το να σύρετε ένα βιβλίο σε ένα φύλλο πάγου. Η δύναμη τριβής ποικίλλει ανάλογα με τις επιφάνειες που έρχονται σε επαφή μεταξύ τους.
• ​Αντίσταση αέρα:Αυτή η δύναμη είναι παρόμοια με την τριβή. Προκύπτει από τον ίδιο τον αέρα που αντιτίθεται στην κίνηση αντικειμένων που πέφτουν από αυτόν. Εάν ένα αντικείμενο πέσει για μεγάλο χρονικό διάστημα, η δύναμη της αντίστασης του αέρα θα το κάνει να επιτύχει την τελική του ταχύτητα.
• ​Δύναμη έντασης:Αυτός είναι ένας τύπος δύναμης που μεταφέρεται κατά μήκος μιας χορδής, σύρματος ή ομοιότητας.
• ​Άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις:Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Δύο είναι η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός, που είχαν ήδη αναφερθεί, και οι άλλοι δύο είναι η ασθενής πυρηνική δύναμη και η ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτά τα δύο τελευταία επηρεάζουν συνήθως τα πράγματα σε μια υποατομική κλίμακα, γι 'αυτό ίσως δεν έχετε ακούσει ποτέ για αυτά.

Ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα ανέφερε το α καθαρή δύναμη. Η καθαρή δύναμη σε ένα αντικείμενο είναι το διανυσματικό άθροισμα όλων των δυνάμεων που ενεργούν σε ένα αντικείμενο.

Για παράδειγμα, μπορείτε να κάνετε δύο άτομα να σπρώχνουν ένα μπλοκ σε αντίθετες κατευθύνσεις με ίσες δυνάμεις. Αλλά η καθαρή δύναμη καταλήγει να είναι 0, πράγμα που σημαίνει ότι το μπλοκ δεν κινείται επειδή αυτές οι δύο δυνάμεις ακυρώνουν η μία την άλλη.

Τα ελεύθερα διαγράμματα σώματος είναι σκίτσα που μπορείτε να σχεδιάσετε δείχνοντας το μέγεθος και την κατεύθυνση κάθε διανύσματος δύναμης σε ένα αντικείμενο με ένα βέλος ανάλογου μήκους που δείχνει προς την κατεύθυνση της δύναμης. Κατά την επίλυση προβλημάτων φυσικής που περιλαμβάνουν δυνάμεις, πιθανότατα θα σχεδιάσετε πολλά από αυτά τα διαγράμματα γιατί βοηθά στην οπτικοποίηση των δυνάμεων που ενεργούν και καθιστά πιο σαφές πώς να προσθέσετε τις δυνάμεις μαζί για να αποκτήσετε το δίχτυ δύναμη.

Εάν δεν υπάρχει καθαρή δύναμη σε ένα αντικείμενο, αυτό σημαίνει, μέσω του δεύτερου νόμου του Νεύτωνα, ότι η επιτάχυνση του αντικειμένου είναι 0. Με άλλα λόγια, το αντικείμενο πρέπει να έχει σταθερή ταχύτητα.

• Σημειώστε ότι η σταθερή ταχύτητα δεν είναι ίδια με την ταχύτητα 0. Ένα αντικείμενο που κινείται με σταθερά 2 m / s, για παράδειγμα, δεν έχει καθόλου καθαρή δύναμη σε αυτό.

Μπορεί να έχετε ακούσει για μια δύναμη που ονομάζεται κεντρομόλο δύναμη. Αυτό δεν αναφέρθηκε με τις άλλες δυνάμεις στην προηγούμενη ενότητα επειδή είναι στην πραγματικότητα ένας τύπος καθαρής δύναμης. Είναι η καθαρή δύναμη κατά την ακτινική κατεύθυνση για οποιοδήποτε αντικείμενο υποβάλλεται σε κυκλική κίνηση.

Η κυκλική κίνηση, ακόμη και σε σταθερή ταχύτητα, δεν είναι κίνηση σταθερής ταχύτητας, επειδή δεν διατηρεί μια ευθεία γραμμή. Κάποιος συνδυασμός δυνάμεων πρέπει να δρα για να προκαλέσει κυκλική κίνηση. Η κεντρομόλος δύναμη είναι η ακτινική καθαρή δύναμη που προκαλεί αυτόν τον τύπο κίνησης.

• Μην συγχέετε τη φυγοκεντρική δύναμη με τη φυγοκεντρική δύναμη. Το τελευταίο θεωρείται στην πραγματικότητα ψευδο-δύναμη. Είναι η δύναμη που φαίνεται να δρα σε ένα αντικείμενο που βρίσκεται σε κυκλική κίνηση. Για παράδειγμα, όταν βρίσκεστε σε ένα αυτοκίνητο που στρίβει μια γωνία, μπορεί να αισθάνεστε σαν να πιέζεστε στην πλευρά του αυτοκινήτου, αλλά αυτό που πραγματικά συμβαίνει είναι ότι μια δύναμη σας τραβάει σε ένα καμπύλη διαδρομή.

Ορισμένες δυνάμεις φαίνεται να ενεργούν μυστηριωδώς χωρίς επαφή. Ένα παράδειγμα με το οποίο γνωρίζετε είναι η βαρυτική δύναμη. Όταν ένα αντικείμενο πέσει, η γη τραβάει το αντικείμενο προς αυτό χωρίς καν να το αγγίξει.

Ένα μαθηματικό εργαλείο που ανέπτυξαν οι φυσικοί για να περιγράψουν αυτό το φαινόμενο είναι η έννοια ενός πεδίου. (Ναι, ένα «πεδίο δύναμης» αλλά όχι το είδος που σας προστατεύει από τις τορπίλες φωτονίων!)

Ένα βαρυτικό πεδίο είναι η εκχώρηση, σε κάθε σημείο του διαστήματος, ενός διανύσματος που δείχνει το σχετικό μέγεθος και κατεύθυνση της βαρυτικής δύναμης σε εκείνη τη θέση ανεξάρτητα από το αντικείμενο που μπορεί να βιώσει μια δύναμη σε αυτό τοποθεσία. Η αξία του βαρυτικού πεδίου σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο θα ήταν απλώς η βαρυτική δύναμη που θα γινόταν αισθητή από μια μάζαΜσε αυτήν την τοποθεσία, αλλά διαιρείται μεΜ​.

Αυτή η έννοια ενός πεδίου δύναμης επιτρέπει την εξήγηση αυτών των «μυστηριωδών» δυνάμεων που φαίνεται να ενεργούν χωρίς να αγγίξετε τίποτα, περιγράφοντας τη δύναμη που προκύπτει από ένα αντικείμενο που αλληλεπιδρά με το πεδίο.

Ακριβώς όπως τα βαρυτικά πεδία, μπορείτε επίσης να έχετε ένα ηλεκτρικό πεδίο ή ένα μαγνητικό πεδίο που περιγράφει το σχετική δύναμη ανά μονάδα φόρτισης ή (δύναμη ανά μονάδα μαγνητικής ροπής) που ένα αντικείμενο θα αισθανόταν σε οποιοδήποτε συγκεκριμένο τοποθεσία.