Mik az erők? (Fizika)

Bár valószínűleg ismeri az „erő” szót, és hallotta a mindennapi beszélgetések során („Nem volt más választásom - kényszerített rá!”), Ismeri az erő fizikai meghatározását?

Ebben a cikkben megtudhatja, hogy mi is egy erő valójában, hanem azt is, hogy honnan jött az ötlet és hogyan használják a fizikában.

Ahhoz, hogy az erők megértéséhez megfelelő fizikai gondolkodásmódhoz jusson, idézze fel, miről tud mozgás. Leírhatja az objektum helyzetét (helyét a térben), és leírhatja, hogy ez a helyzet hogyan változik az időben; a pozícióváltozás időegységenkénti sebessége asebesség. Leírhatja azt is, hogy ez a sebesség hogyan változik - hívjuk a sebesség időegységenkénti változásának sebességétgyorsulás​.

Ezek a fizikai mennyiségek - helyzet, sebesség és gyorsulás - mind vektormennyiségek, ami azt jelenti, hogy nagyságrendűek és irányúak.

Ha egy tárgy nyugalomban van, például egy szikla a járdán ül, akkor valószínűleg meglehetősen bízik abban, hogy addig marad ott, amíg valami mozgásra készteti. Vagy a járdán sétáló valaki rúgja, vagy talán a szikla elég könnyű ahhoz, hogy az erős szél meglökje. Amikor ez bekövetkezik, a mozgása megváltozik. A fizikai mennyiség, amely ezt a változást okozza, amint megtudjuk, erő.

Valószínűleg van némi érzéke arról is, hogy bizonyos tárgyakat nehezebb mozgatni, mint másokat. Képzeljen el egy kis kavicsot egy nehéz sziklához képest. Sokkal erősebben kellene rúgnia a sziklát, hogy mozogjon. Hasonlóképpen, ha két tárgy - egy könnyű és egy nehéz - már mozgott, sokkal nehezebb megállítani a nehezebbet.

Az objektumnak ezt az ellenállását a mozgásának bármilyen változásával szemben annak nevezzük tehetetlenség. Az, hogy mekkora erő szükséges egy bizonyos változás végrehajtásához, a tömeghez fog kapcsolódni, ami a tehetetlenség mértéke.

Az erő gondolata már régóta létezik, de nagyrészt a súrlódás téves értelmezése miatt nem volt jól megértve.

Arisztotelész azt javasolta, hogy minden objektumnak legyen olyan természetes állapota, amelyben meg akarnak pihenni, és ezt meg is fogják tenni, hacsak nem hat egy erő. Ezt a fogalmat használta arra, hogy megmagyarázza, miért esnek a tárgyak a földre, vagy lassulnak-e meg megállásig a lökés után.

Galileo azonban cáfolta ezt az elképzelést, és megmagyarázta a súrlódásnak nevezett megállító erő létezését. Meghatározta, hogy a tárgyak egyenes utakon haladnak tovább, ha nincs súrlódás, amely lelassítaná őket.

Sir Isaac Newton nagyobb formalizálást adott Galileo megfigyeléseinek híresével három mozgástörvény. Le tudta írni, hogy mit tesznek az erők, hogyan hatnak, sőt számokat is rendelhet egységekkel a fogalomhoz.

Newton első mozgástörvénye - amelyet néha tehetetlenségi törvénynek is neveznek - kimondja, hogy a nyugalmi állapotban lévő tárgy nyugalmi állapotban marad, hacsak kiegyensúlyozatlan erő nem hat rá. Ez a rész meglehetősen intuitív, ha visszagondol a szikla rúgására a járdán. Továbbá ez a törvény kimondja, hogy minden olyan tárgy, amely állandó sebességű mozgáson megy keresztül (állandó sebességgel mozog egyenes vonalban), továbbra is ezt teszi, hacsak nem egy külső külső erő hat rá.

Az első törvény második része kevésbé intuitív, mert mindennapi interakcióink során a tárgyak nem hajlamosak örökké mozogni. De ez azért van, mert a súrlódásnak nevezett ellenállási erő hat rá.

Newton második mozgástörvénye kimondja, hogy az objektumra ható nettó erő (amely az összes ható erő vektorösszege) megegyezik az objektum tömeg és gyorsulás. Más szavakkal:

Newton második mozgástörvénye meg tudta magyarázni, miért van az, hogy a nehéz tárgyakat erősebben kell nyomni, mint a könnyebb tárgyakat, hogy megváltoztassák a mozgásukat. Formálisan az erőt a gyorsulás fizikai mennyiségével is összefüggésbe hozta, ami a tárgy mozgásának változása.

Newton harmadik mozgástörvénye tovább magyarázta, hogy az erők párban jönnek. Kimondja, hogy ha az A objektum erőt fejt ki a B objektumra, akkor a B objektum erőt gyakorol az A objektumra, amely egyenlő nagyságrendű és ellentétes irányú a B tárgyra ható erővel.

Newton harmadik törvénye megmagyarázza, hogy miért lövik vissza a fegyverek, amikor lövésbe kerülnek, és miért, ha gördeszkán állsz és a falnak nyomod, a végén hátrafelé gördülsz.

Az erő felfogható lökésként vagy húzásként. Ha csak egyetlen erő hat egy tárgyra, akkor ez az egyetlen erő hatására a tárgy mozgása a tömegéhez képest fordított arányban változik.

Az erő egy vektormennyiség, vagyis nagysága és iránya. A nettó erő iránya mindig megegyezik a gyorsulás vagy változás irányával mozgás (amely ellentétes lehet a mozgás irányával olyan helyzetekben, amikor egy tárgy lassul le.)

Az SI erőegység a newton, ahol 1 N = 1 kgm / s². A CGS egység az a dyne, ahol 1 dyne = 1gcm / s².

Már tudja, hogy maga is képes erőt kifejteni egy tárgyra azáltal, hogy nyomja vagy meghúzza. Ezt kontakt erőnek nevezik, mert érintkezést igényel. De sok más típusú erő is létezik.

A fizika tanulmányozása során felmerülő néhány közös erő felsorolása a következőket tartalmazza:

• ​Gravitációs erő:A gravitációs erő egy tárgyon szabadon eső mozgás során figyelhető meg, amelyben egy tárgy felgyorsul a föld felé. De a gravitációs erő az is, ami a bolygókat pályán tartja, és ami megakadályozza, hogy elrepüljön az űrbe.
• ​Normális erő:Ez egy felületre merőlegesen ható támasztóerő, amely megakadályozza a tárgyak esését a padlón vagy az asztallapon.
• ​Elektromágneses erő:Ez együttesen a mágneses erőkre és az elektrosztatikus erőkre vonatkozik. Az ilyen típusú erők a töltés vagy a mozgó töltés következményei. Ez az oka annak, hogy az elektronok taszítják egymást, és a mágnesek összetapadnak.
• ​Súrlódási erők:A súrlódási erő olyan erő, amely ellenáll egy tárgy mozgásának. Ez az oka annak, hogy nehezebb könyvet csúsztatni az asztalon, mint egy könyvet egy jéglapon. A súrlódási erő az egymással érintkező felületek függvényében változik.
• ​Légellenállás:Ez az erő hasonló a súrlódáshoz. Ez abból adódik, hogy maga a levegő ellentétes a rajta eső tárgyak mozgásával. Ha egy tárgy elég sokáig esik, a légellenállás ereje el fogja érni végsebességét.
• ​Feszítőerő:Ez egyfajta erő, amelyet húr, huzal vagy bármi hasonló mentén visznek át.
• ​Egyéb alapvető erők:A természetnek négy alapvető ereje van. Kettő a gravitáció és az elektromágnesesség, amelyeket már felsoroltak, a másik kettő pedig a gyenge atomerő és az erős nukleáris erő. Ez utóbbi kettő általában csak szubatomi skálán befolyásolja a dolgokat, ezért lehet, hogy soha nem is hallott róluk.

Newton második törvénye megemlítette a net erő. A tárgyra ható nettó erő a tárgyra ható összes erő vektorösszege.

Például lehet, hogy két ember egyenlő erőkkel ellök egy blokkot ellenkező irányba. De a nettó erő végül 0 lesz, ami azt jelenti, hogy a blokk nem mozog, mert ez a két erő kioltja egymást.

A szabad testdiagramok olyan vázlatok, amelyeket megrajzolhat, feltüntetve az egyes erővektorok nagyságát és irányát egy objektumon, arányos hosszúságú nyíllal, amely az erő irányába mutat. Erőkkel járó fizikai problémák megoldása során valószínűleg sok ilyen diagramot vázol fel, mert az segít szemléltetni, hogy milyen erők hatnak, és világosabbá teszi, hogyan lehet összeadni az erőket a háló megszerzéséhez Kényszerítés.

Ha nincs nettó erő egy tárgyra, ez Newton második törvénye alapján azt jelenti, hogy az objektum gyorsulása 0. Más szavakkal, az objektumnak állandó sebességgel kell rendelkeznie.

• Vegye figyelembe, hogy az állandó sebesség nem azonos a 0 sebességgel. Például egy állandó 2 m / s sebességgel mozgó tárgyra szükségszerűen nincs hatással nettó erő.

Lehet, hogy hallott egy olyan erőről, amelyet centripetális erőnek hívtak. Ezt az előző szakaszban nem sorolták fel a többi erővel, mert valójában a nettó erő egyik típusa. Ez a sugárirányban mért nettó erő bármely körkörös mozgáson áteső tárgyra.

A körmozgás, még állandó sebesség mellett sem állandó sebességű mozgás, mert nem tart fenn egyenes vonalat. A körmozgás előidézésére az erők valamilyen kombinációjának kell hatnia. A centripetális erő az a sugárirányú nettó erő, amely az ilyen típusú mozgást okozza.

• Ne keverje össze a centripetális erőt a centrifugális erővel. Ez utóbbi valójában álerőnek számít. Úgy tűnik, hogy az az erő hat egy tárgyra, amely körmozgás alatt áll. Például egy kanyarban kanyarodó autóban érezheti, hogy nyomás alatt van a kocsi oldalával szemben, de valójában az történik, hogy egy erő húzza be a görbe ösvény.

Úgy tűnik, hogy bizonyos erők titokzatosan érintkezés nélkül cselekszenek. Az egyik példa, amelyet ismer, a gravitációs erő. Ha egy tárgyat ledobnak, a föld úgy húzza maga felé az objektumot, hogy hozzá sem ér.

Az egyik matematikai eszköz, amelyet a fizikusok fejlesztettek ki ennek a jelenségnek a leírására, a mező fogalma. (Igen, egy „erőtér”, de nem olyan, amely megvéd a fotontorpedóktól!)

A gravitációs mező a tér minden pontjának hozzárendelése, egy vektor, amely a relatív nagyságot és a gravitációs erő iránya azon a helyen, függetlenül attól, hogy milyen tárgy érezhet erőt abban elhelyezkedés. A gravitációs mező értéke az adott pontban egyszerűen az a gravitációs erő lenne, amelyet egy tömeg éreznemazon a helyen, de osztvam​.

Az erőtérnek ez a fogalma lehetővé teszi ezen „rejtélyes” erők magyarázatát, amelyek látszólag hatnak anélkül, hogy bármihez hozzáérne, leírva az erőt az objektummal kölcsönhatásba lépő tárgy eredményeként terület.

Csakúgy, mint a gravitációs mezők, rendelkezhet elektromos vagy mágneses mező is, amely leírja a relatív erő egységnyi töltésre vagy (erő egységnyi mágneses momentumra), amelyet egy tárgy valamilyen konkrétan érezne elhelyezkedés.