Mitä ovat joukot? (Fysiikka)

Vaikka olet todennäköisesti perehtynyt sanaan ”voima” ja olet kuullut sen käyttävän jokapäiväisissä keskusteluissa (”Minulla ei ollut muuta vaihtoehtoa - hän pakotti minut tekemään sen!”), Tiedätkö fyysisen voiman määritelmän?

Tässä artikkelissa opit paitsi voiman todellisuudessa myös sen, mistä idea tuli ja miten sitä käytetään fysiikassa.

Päästäksesi oikeaan fysiikan ajattelutapaan voimien ymmärtämiseksi, muista, mistä tiedät liike. Voit kuvata kohteen sijaintia (sijainti avaruudessa) ja voit kuvata, kuinka kyseinen sijainti muuttuu ajassa; sijainnin muutosnopeus aikayksikköä kohti onnopeus. Voit myös kuvata kuinka nopeus muuttuu - kutsutaan nopeuden muutosnopeutta aikayksikköä kohtikiihtyvyys​.

Nämä fyysiset suuruudet - sijainti, nopeus ja kiihtyvyys - ovat kaikki vektorimäärät, mikä tarkoittaa, että heihin liittyy suuruus ja suunta.

Jos esine on levossa, kuten kivi, joka istuu jalkakäytävällä, olet todennäköisesti melko varma, että se pysyy siellä, kunnes jokin saa sen liikkumaan. Joko jalkakäytävää pitkin kävelevä potkaisee sitä, tai ehkä kallio on tarpeeksi kevyt voimakkaan tuulen työntämiseksi. Kun näin tapahtuu, sen liike muuttuu. Fyysinen määrä, joka aiheuttaa tämän muutoksen, kuten opimme, on voima.

Sinulla on todennäköisesti myös jonkinlainen käsitys siitä, että tiettyjä esineitä on vaikeampaa siirtää kuin toisia. Kuvittele pieni kivi verrattuna raskaaseen kivilohkoon. Sinun pitäisi potkia kiveä paljon kovemmin, jotta se liikkuu. Vastaavasti, jos kaksi esinettä - kevyt ja raskas - liikkuivat jo, on paljon vaikeampaa tehdä painavampi yksi pysäkki.

Tätä kohteen vastustusta liikkeen muutoksiin kutsutaan sen inertia. Kuinka paljon voimaa tarvitaan tietyn muutoksen aikaansaamiseksi, liittyy massaan, joka on hitausmittari.

Ajatus voimasta on ollut olemassa jo kauan, mutta sitä ei ymmärretty suurelta osin kitkan väärinkäsitysten takia.

Aristoteles ehdotti, että kaikilla esineillä on luonnollinen tila, jossa he haluavat levätä ja että he tekevät niin, ellei voima toimi. Hän käytti tätä käsitettä selittääkseen, miksi esineet putoavat maahan tai hidastuvat pysähtymisen jälkeen.

Galileo kuitenkin kumosi tämän ajatuksen ja selitti kitkaksi kutsutun pysäytysvoiman olemassaolon. Hän päätti, että esineet liikkuisivat edelleen suoraviivaisilla poluilla, jos kitkaa ei hidastaisi.

Sir Isaac Newton antoi suuremman muodollisuuden Galileon havainnoille kuuluisan kanssa kolme liikkeen lakia. Hän pystyi kuvaamaan mitä voimat tekevät, miten he toimivat ja jopa omistamaan käsitteelle luvut yksiköillä.

Newtonin ensimmäisessä liikelakissa - jota kutsutaan joskus hitauslaiksi - todetaan, että levossa oleva esine pysyy lepotilassa, ellei siihen toimi epätasapainoinen voima. Tämä osa on melko intuitiivinen, kun ajattelet takaisin kiven potkimista jalkakäytävällä. Lisäksi tässä laissa todetaan, että kaikki kohteet, joille tapahtuu vakionopeusliike (liike tasaisella nopeudella suoralla linjalla), tekevät niin edelleen, ellei siihen toimi ulkoinen nettovoima.

Ensimmäisen lain toinen osa on vähemmän intuitiivinen, koska jokapäiväisessä vuorovaikutuksessamme esineillä ei ole tapana liikkua ikuisesti. Mutta tämä johtuu siitä, että niihin vaikuttaa kitkaksi kutsuttu resistiivinen voima.

Newtonin toisen liikelain mukaan objektin nettovoima (joka on kaikkien vaikuttavien voimien vektorisumma) on yhtä suuri kuin kohteen massa- ja kiihtyvyys. Toisin sanoen:

Newtonin toinen liikelaki pystyi selittämään, miksi on, että sinun on painettava voimakkaammin raskaita esineitä kuin kevyempiä esineitä saadaksesi ne muuttamaan liikettä. Se liittää muodollisesti voiman myös kiihtyvyyden fyysiseen määrään, joka on muutos kohteen liikkeessä.

Newtonin kolmas liikelaki selitti edelleen, kuinka voimat tulevat pareittain. Siinä todetaan, että jos esine A kohdistaa voimaa esineeseen B, niin esine B kohdistaa voiman esineeseen A, joka on yhtä suuri suuruudeltaan ja vastakkaiseen suuntaan kuin esineelle B.

Newtonin kolmas laki selittää, miksi aseet vetäytyvät, kun ne ammutaan, ja miksi, jos seisot rullalaudalla ja työnnät seinää vasten, päätät liikkua taaksepäin.

Voima voidaan ajatella työntöä tai vetoa. Jos esineeseen vaikuttaa vain yksi voima, tämä yksittäinen voima saa kohteen liikkeen muuttumaan käänteisessä suhteessa sen massaan.

Voima on vektorimäärä, mikä tarkoittaa, että sillä on suuruus ja suunta. Nettovoiman suunta on aina sama kuin kiihdytyksen tai muutoksen suunta liike (joka voi olla vastakkainen liikesuuntaan sellaisissa tilanteissa, joissa esine hidastuu alas.)

SI-voimayksikkö on newton, jossa 1 N = 1 kgm / s². CGS-yksikkö on väriaine, jossa 1 dyne = 1gcm / s².

Tiedät jo, että voit kohdistaa voiman esineeseen itse työntämällä sitä tai vetämällä sitä. Tätä kutsutaan kosketusvoimaksi, koska se vaatii kosketusta. Mutta on myös monia muita voimia.

Luettelo joistakin yhteisistä voimista, joita kohtaat opiskellessasi fysiikkaa, sisältää seuraavat:

• ​Painovoima: painovoima esineellä havaitaan vapaapudotuksen aikana, jolloin esine kiihtyy kohti maata. Mutta painovoima on myös se, mikä pitää planeetat kiertoradalla ja mikä estää sinua lentämästä avaruuteen.
• ​Normaali voima:Tämä on tukivoima, joka toimii kohtisuorassa pintaa vastaan ​​ja estää esineitä putoamasta lattian tai pöytälevyn läpi.
• ​Sähkömagneettinen voima:Tämä viittaa yhdessä magneettisiin voimiin ja sähköstaattisiin voimiin. Tämäntyyppiset voimat ovat seurausta latauksesta tai liikkuvasta varauksesta. Siksi elektronit hylkäävät toisiaan ja magneetit tarttuvat yhteen.
• ​Kitkavoimat: kitkavoima on voima, joka vastustaa kohteen liikettä. Siksi on vaikeampi siirtää kirjaa pöydän yli kuin kirja liukua jääarkin yli. Kitkavoima vaihtelee toistensa kanssa kosketuksissa olevien pintojen mukaan.
• ​Ilmanvastus:Tämä voima on samanlainen kuin kitka. Se johtuu siitä, että ilma itse vastustaa sen läpi putoavien esineiden liikettä. Jos esine putoaa riittävän kauan, ilmavastuksen voima saa sen saavuttamaan terminaalisen nopeutensa.
• ​Kiristysvoima:Tämä on eräänlainen voima, joka siirtyy narua, johtoa tai muuta vastaavaa pitkin.
• ​Muut perusvoimat:Luonnossa on neljä perusvoimaa. Kaksi on painovoima ja sähkömagneetti, jotka oli jo lueteltu, ja kaksi muuta ovat heikko ydinvoima ja vahva ydinvoima. Nämä kaksi viimeistä vaikuttavat yleensä vain subatomisessa mittakaavassa oleviin asioihin, minkä vuoksi et ehkä ole koskaan kuullut niistä.

Newtonin toisessa laissa mainittiin a nettovoima. Kohteeseen kohdistuva nettovoima on kaikkien esineeseen vaikuttavien voimien vektorisumma.

Voit esimerkiksi saada kaksi ihmistä työntämään korttelia vastakkaisiin suuntiin yhtä voimakkaasti. Mutta nettovoima on lopulta 0, mikä tarkoittaa, että lohko ei liiku, koska nämä kaksi voimaa kumoavat toisensa.

Vapaat runkokaaviot ovat luonnoksia, jotka voit piirtää osoittamalla objektin kunkin voimavektorin suuruuden ja suunnan suhteellisen pituisella nuolella, joka osoittaa voiman suuntaan. Ratkaistessasi fysiikan ongelmia, joihin liittyy voimia, luonnostelet todennäköisesti paljon näitä kaavioita, koska se auttaa visualisoimaan, mitkä voimat vaikuttavat, ja tekee selvemmäksi, kuinka voimat lisätään yhteen verkon saamiseksi pakottaa.

Jos kohteeseen ei ole nettovoimaa, se tarkoittaa Newtonin toisen lain mukaan, että kohteen kiihtyvyys on 0. Toisin sanoen objektilla on oltava vakionopeus.

• Huomaa, että vakionopeus ei ole sama kuin 0 nopeus. Esimerkiksi vakiona 2 m / s liikkuvalla esineellä ei välttämättä ole siihen vaikuttavaa nettovoimaa.

Olet ehkä kuullut voimasta, jota kutsutaan keskiosan voimaksi. Tätä ei lueteltu muiden voimien kanssa edellisessä osassa, koska se on itse asiassa eräänlainen nettovoima. Se on nettovoima säteittäisessä suunnassa mille tahansa kohteelle, joka käy pyöröliikkeessä.

Kiertoliike, myös vakionopeudella, ei ole vakionopeusliike, koska se ei ylläpitää suoraviivaisen reitin kulkua. Jonkin tyyppisten voimien yhdistelmän on toimittava aiheuttamaan pyöreä liike. Keskisuuntainen voima on säteittäinen nettovoima, joka aiheuttaa tämän tyyppisen liikkeen.

• Älä sekoita keskipakovoimaa keskipakovoimaan. Jälkimmäistä pidetään itse asiassa pseudovoimana. Se on voima, joka näyttää vaikuttavan pyöreässä liikkeessä olevaan esineeseen. Esimerkiksi kun olet kulmassa kääntyvässä autossa, saatat tuntea, että sinua painetaan auton sivua vasten, mutta mitä tapahtuu, on se, että voima vetää sinut a kaareva polku.

Tietyt voimat näyttävät toimivan salaperäisesti ilman yhteyttä. Yksi sinulle tuttu esimerkki on painovoima. Kun esine pudotetaan, maa vetää esineen sitä kohti edes koskematta siihen.

Yksi matemaattinen työkalu, jonka fyysikot kehittivät kuvaamaan tätä ilmiötä, on kentän käsite. (Kyllä, "voimakenttä", mutta ei sellainen, joka suojaa sinua fotonitorpedoilta!)

Gravitaatiokenttä on jokaiselle avaruuspisteelle osoitettu vektori, joka osoittaa suhteellisen suuruuden ja painovoiman suunta kyseisessä paikassa riippumatta siitä, mikä esine voi kokea voiman siinä sijainti. Painovoimakentän arvo missä tahansa pisteessä olisi yksinkertaisesti painovoima, jonka massa tuntisimsiinä paikassa, mutta jaettunam​.

Tämä voimakentän käsite antaa mahdollisuuden selittää nämä "salaperäiset" voimat, jotka näyttävät toimivan koskematta mihinkään, kuvaamalla voima seurauksena objektista, joka on vuorovaikutuksessa ala.

Aivan kuten painovoimakentät, sinulla voi olla myös sähkökenttä tai magneettikenttä, jotka kuvaavat suhteellinen voima latausyksikköä kohden tai (voima magneettista momenttiyksikköä kohden), jonka esine tunisi tietyssä tilanteessa sijainti.