Što su Sile? (Fizika)

Iako ste vjerojatno upoznati s riječju „sila“ i čuli ste je kako se koristi u svakodnevnim razgovorima („Nisam imao izbora - prisilio me na to!“), Znate li fizičku definiciju sile?

U ovom ćete članku naučiti ne samo što je sila zapravo, već i odakle je ideja potekla i kako se koristi u fizici.

Da biste ušli u pravi fizički način razmišljanja za razumijevanje sila, prisjetite se onoga što znate pokret. Možete opisati položaj objekta (mjesto u prostoru) i možete opisati kako se taj položaj mijenja u vremenu; stopa promjene položaja u jedinici vremena jebrzina. Također možete opisati kako se ta brzina mijenja - naziva se brzina promjene brzine u jedinici vremenaubrzanje​.

Te su fizičke veličine - položaj, brzina i ubrzanje - sve vektorske veličine, što znači da su s njima povezani veličina i smjer.

Ako neki objekt miruje, poput kamena koji sjedi na pločniku, vjerojatno ste prilično uvjereni da će tamo ostati dok se nešto ne pokrene. Ili ga netko tko hoda pločnikom udari nogom, ili je možda stijena dovoljno lagana da je pogura jak vjetar. Kad se to dogodi, njegovo se gibanje mijenja. Fizička veličina koja uzrokuje ovu promjenu, kako ćemo saznati, sila je.

Vjerojatno također imate osjećaj da je neke predmete teže premjestiti od drugih. Zamislite mali kamenčić u usporedbi s teškom gromadom. Morali biste udarati kamenom puno jače da biste se pokrenuli. Slično tome, ako su se već kretala dva predmeta - lagani i teški - mnogo je teže zaustaviti se teži.

Ovaj otpor predmeta na promjene u kretanju naziva se njegov inercija. Kolika je sila potrebna za provođenje određene promjene odnosit će se na masu, koja je mjera inercije.

Ideja o sili postoji već dugo vremena, ali u velikom dijelu nije dobro razumljena zbog pogrešnih interpretacija trenja.

Aristotel je predložio da svi predmeti imaju prirodno stanje u kojem se žele odmoriti i da će to činiti ukoliko ne djeluje sila. Ovim je pojmom objasnio zašto predmeti padaju na zemlju ili se polako zaustavljaju nakon guranja.

Galileo je, međutim, opovrgnuo tu ideju i objasnio postojanje zaustavne sile koja se naziva trenje. Utvrdio je da će se predmeti nastaviti kretati pravocrtnim stazama ako nema trenja koje bi ih usporilo.

Sir Isaac Newton dao je veću formalizaciju Galilejevim opažanjima sa svojim poznatim tri zakona gibanja. Uspio je opisati što sile rade, kako djeluju, pa čak i konceptu pripisati brojeve s jedinicama.

Newtonov prvi zakon gibanja - koji se ponekad naziva i zakonom inercije - kaže da objekt u mirovanju ostaje u stanju mirovanja ukoliko na njega ne djeluje neuravnotežena sila. Ovaj je dio prilično intuitivan kad se sjetite udarca nogom po nogostupu. Nadalje, ovaj zakon kaže da će bilo koji objekt koji se podvrgava gibanju s konstantnom brzinom (kretanje konstantnom brzinom u pravocrtnoj putanji) i dalje to činiti ukoliko na njega ne djeluje neto vanjska sila.

Taj drugi dio prvog zakona manje je intuitivan jer se u našoj svakodnevnoj interakciji predmeti ne teže nastaviti vječno kretati. Ali to je zato što na njih djeluje otporna sila koja se naziva trenje.

Newtonov drugi zakon gibanja kaže da je neto sila na objekt (što je vektorski zbroj svih sila koje djeluju) jednaka umnošku objekta masa i ubrzanje. Drugim riječima:

Newtonov drugi zakon gibanja uspio je objasniti zašto je to što na jake predmete morate jače pritiskati nego na lakše predmete kako bi ih natjerali da promijene svoje kretanje. Također je formalno povezao silu s fizičkom veličinom ubrzanja, što je promjena u kretanju predmeta.

Treći Newtonov zakon gibanja dalje je objasnio kako sile dolaze u parovima. Navodi se da ako objekt A primjenjuje silu na objekt B, tada objekt B primjenjuje silu na objekt A koja je jednaka po veličini i u suprotnom smjeru sile na objekt B.

Treći Newtonov zakon objašnjava zašto puške ustuknu kad se u njih puca i zašto, ako stojite na skejtu i pritisnete zid, na kraju se kotrljate unatrag.

Sila se može smatrati potiskom ili povlačenjem. Ako samo jedna sila djeluje na objekt, ta će pojedinačna sila uzrokovati promjenu gibanja predmeta obrnuto proporcionalno njegovoj masi.

Sila je vektorska veličina, što znači da ima veličinu i smjer. Smjer neto sile uvijek je isti kao smjer ubrzanja ili promjene kretanje (što može biti suprotno od smjera kretanja u takvim situacijama kada objekt usporava dolje.)

SI jedinica snage je njutn gdje je 1 N = 1 kgm / s². CGS jedinica je din gdje je 1 din = 1gcm / s².

Već znate da sami možete izvršiti silu na predmet guranjem ili povlačenjem. To se naziva kontaktnom silom jer zahtijeva kontakt. Ali postoje i mnoge druge vrste sila.

Popis nekih uobičajenih sila s kojima se susrećete tijekom studija fizike uključuje sljedeće:

• ​Sila gravitacije:The sila gravitacije na objektu može se promatrati tijekom gibanja u slobodnom padu, u kojem se objekt ubrzava prema tlu. Ali gravitacijska sila također je ono što planete drži u orbiti i ono što vas sprečava da ne odletite u svemir.
• ​Normalna sila:Ovo je sila potpore koja djeluje okomito na površinu i ona je ono što sprječava padanje predmeta kroz pod ili ploču stola.
• ​Elektromagnetska sila:To se zajednički odnosi na magnetske i elektrostatičke sile. Ove vrste sila rezultat su naboja ili pomicanja naboja. To je razlog zbog kojeg se elektroni odbijaju i magneti se lijepe.
• ​Sile trenja:The sila trenja je sila koja se suprotstavlja kretanju predmeta. To je razlog zašto je teže kliziti knjigu preko stola nego klizati knjigu preko ledene ploče. Sila trenja varira ovisno o površinama koje su međusobno u dodiru.
• ​Otpor zraka:Ova sila slična je trenju. Rezultat je to što se sam zrak suprotstavlja kretanju predmeta koji padaju kroz njega. Ako objekt padne dovoljno dugo, sila zračnog otpora natjerat će ga da postigne krajnju brzinu.
• ​Sila zatezanja:Ovo je vrsta sile koja se prenosi duž žice, žice ili bilo čega sličnog.
• ​Ostale temeljne sile:Postoje četiri temeljne sile prirode. Dvije su gravitacija i elektromagnetizam, koje su već bile navedene, a druge dvije su slaba nuklearna sila i jaka nuklearna sila. Ova posljednja dva obično utječu na stvari samo na subatomskoj ljestvici, zbog čega možda nikada niste čuli za njih.

Drugi Newtonov zakon spominje a neto sila. Neto sila na objekt je vektorski zbroj svih sila koje djeluju na objekt.

Na primjer, možete imati dvoje ljudi koji jednakim snagama guraju blok u suprotnim smjerovima. Ali neto sila na kraju iznosi 0, što znači da se blok ne pomiče jer se te dvije sile međusobno poništavaju.

Dijagrami slobodnog tijela su skice koje možete nacrtati naznačujući veličinu i smjer svakog vektora sile na objektu strelicom proporcionalne duljine koja pokazuje u smjeru sile. Kada rješavate fizičke probleme koji uključuju sile, vjerojatno ćete skicirati puno ovih dijagrama jer je to pomaže vizualizirati koje sile djeluju i čini jasnijim kako zbrajati sile kako bi se dobila mreža sila.

Ako na objektu nema neto sile, to znači, prema Newtonovom drugom zakonu, da je ubrzanje objekta 0. Drugim riječima, objekt mora imati konstantnu brzinu.

• Imajte na umu da konstantna brzina nije isto što i 0 brzina. Na primjer, objekt koji se kreće konstantno 2 m / s, na njega nužno ne djeluje neto sila.

Možda ste čuli za silu koja se naziva centripetalna sila. To nije navedeno s ostalim silama u prethodnom odjeljku, jer je zapravo vrsta neto sile. To je neto sila u radijalnom smjeru za bilo koji objekt koji se podvrgava kružnom kretanju.

Kružno gibanje, čak i pri konstantnoj brzini, nije kretanje konstantne brzine, jer ne održava pravolinijski put. Neka kombinacija sila mora djelovati da uzrokuje kružno gibanje. Centripetalna sila je radijalna neto sila koja uzrokuje ovu vrstu gibanja.

• Nemojte brkati centripetalnu silu s centrifugalnom silom. Potonje se zapravo smatra pseudo-silom. Čini se da je sila koja djeluje na objekt koji se kreće kružno. Primjerice, kada ste u automobilu koji skreće za ugao, možete se osjećati kao da vas pritiskaju uz bok automobila, ali ono što se zapravo događa je da vas sila vuče u zakrivljena staza.

Čini se da određene snage djeluju tajanstveno bez kontakta. Jedan od primjera koji vam je poznat je gravitacijska sila. Kad se predmet spusti, zemlja ga povuče prema sebi, a da ga ni ne dodirne.

Jedan matematički alat koji su fizičari razvili da bi opisali ovaj fenomen je pojam polja. (Da, "polje sile", ali ne takvo koje vas štiti od fotonskih torpeda!)

Gravitacijsko polje je dodjela svakoj točki u prostoru vektora koji označava relativnu veličinu i smjer gravitacijske sile na tom mjestu neovisno o tome koji objekt može na njemu iskusiti silu mjesto. Vrijednost gravitacijskog polja u bilo kojoj danoj točki jednostavno bi bila gravitacijska sila koju bi masa osjetilamna tom mjestu, ali podijeljeno sam​.

Ovaj pojam polja sila omogućuje objašnjenje tih "tajanstvenih" sila koje kao da djeluju ne dodirujući ništa, opisujući silu kao posljedicu predmeta koji je u interakciji s polje.

Baš kao gravitacijska polja, tako možete imati i električno ili magnetsko polje koje opisuje relativna sila po jedinici naboja ili (sila po jedinici magnetskog trenutka) koju bi objekt osjećao u bilo kojem određenom slučaju mjesto.