מהם כוחות? (פיזיקה)

למרות שאתה כנראה מכיר את המילה "כוח" ושמעת אותה משמשת בשיחות יומיומיות ("לא הייתה לי ברירה - הוא הכריח אותי לעשות את זה!"), האם אתה יודע את הגדרת הפיזיקה של כוח?

במאמר זה תלמדו לא רק מהו באמת כוח, אלא מאיפה הגיע הרעיון ואיך משתמשים בו בפיזיקה.

כדי להיכנס לחשיבה הנכונה לפיזיקה להבנת כוחות, זכרו מה ידוע לכם תְנוּעָה. אתה יכול לתאר את מיקום האובייקט (מיקום בחלל), ואתה יכול לתאר כיצד המיקום הזה משתנה בזמן; קצב שינוי המיקום ליחידת זמן הואמְהִירוּת. אתה יכול גם לתאר כיצד המהירות משתנה - נקרא קצב שינוי המהירות ליחידת זמןתְאוּצָה​.

הכמויות הפיזיקליות הללו - מיקום, מהירות ותאוצה - כולן כמויות וקטוריות, כלומר יש להם גודל וכיוון הקשורים אליהם.

אם אובייקט נמצא במנוחה, כמו סלע שיושב על מדרכה, סביר להניח שאתה די בטוח שהוא יישאר שם עד שמשהו גורם לו לזוז. או שמישהו שהולך לאורך המדרכה בועט בו, או אולי הסלע קל מספיק כדי להידחק על ידי רוח חזקה. כשזה קורה, תנועתו משתנה. הכמות הפיזית הגורמת לשינוי זה, כפי שנלמד, היא כוח.

כנראה שיש לך גם תחושה מסוימת שקשה יותר לזוז לאובייקטים מסוימים מאשר לאחרים. תארו לעצמכם חלוק נחל קטן לעומת סלע כבד. תצטרך לבעוט בסלע הרבה יותר חזק כדי לגרום לו לנוע. באופן דומה, אם שני חפצים - אחד קל וכבד - כבר נעו, הרבה יותר קשה לגרום לכבד לעצור.

התנגדות זו של אובייקט לכל שינוי בתנועתו נקראת שלו אִינֶרצִיָה. כמה כוח נדרש כדי לחוקק שינוי מסוים יתייחס למסה, שהיא מדד לאינרציה.

הרעיון של כוח קיים זמן רב, אך הוא לא הובן היטב בחלק גדול בגלל פרשנויות שגויות של חיכוך.

אריסטו הציע שלכל האובייקטים יהיה מצב טבעי שהם רוצים לנוח בו ויעשו זאת אלא אם כן כוח יפעל. הוא השתמש ברעיון זה כדי להסביר מדוע חפצים נופלים על האדמה, או איטים עד עצירה לאחר שנדחפו.

גלילאו, לעומת זאת, הפריך את הרעיון הזה והסביר את קיומו של כוח עוצר הנקרא חיכוך. הוא קבע כי עצמים ימשיכו לנוע בנתיבים ישרים אם לא היה חיכוך להאט אותם.

סר אייזק ניוטון נתן פורמליזציה גדולה יותר לתצפיותיו של גלילאו עם המפורסמים שלו שלושה חוקי תנועה. הוא הצליח לתאר מה הכוחות עושים, כיצד הם פועלים ואף לייחס מספרים עם יחידות למושג.

חוק התנועה הראשון של ניוטון - המכונה לפעמים חוק האינרציה - קובע כי אובייקט במנוחה נשאר במצב של מנוחה אלא אם כן פועל עליו כוח לא מאוזן. החלק הזה די אינטואיטיבי כשחושבים לאחור לבעוט בסלע על המדרכה. יתר על כן, חוק זה קובע כי כל אובייקט שעובר תנועת מהירות קבועה (תנועה במהירות קבועה בנתיב קו ישר) ימשיך לעשות זאת אלא אם כן יופעל על ידי כוח חיצוני נטו.

החלק השני של החוק הראשון הוא פחות אינטואיטיבי מכיוון שבאינטראקציות היומיומיות שלנו, חפצים לא נוטים להמשיך לנוע לנצח. אבל זה בגלל שהם פועלים על ידי כוח התנגדות שנקרא חיכוך.

חוק התנועה השני של ניוטון קובע כי הכוח הנקי על עצם (שהוא סכום הווקטור של כל הכוחות הפועלים) שווה לתוצר של האובייקט. מסה ותאוצה. במילים אחרות:

חוק התנועה השני של ניוטון הצליח להסביר מדוע אתה צריך לדחוף חזק יותר על עצמים כבדים מאשר על עצמים קלים יותר כדי לגרום להם לשנות את תנועתם. זה גם קשור כוח רשמית לכמות ההאצה הפיזית, שהיא השינוי בתנועת האובייקט.

חוק התנועה השלישי של ניוטון הסביר עוד כיצד כוחות מגיעים בזוגות. זה קובע שאם אובייקט A מפעיל כוח על אובייקט B, אז אובייקט B מפעיל כוח על אובייקט A השווה בגודלו ובכיוון ההפוך של הכוח על האובייקט B.

החוק השלישי של ניוטון מסביר מדוע אקדחים נרתעים כאשר הם נורים ומדוע, אם אתה עומד על סקייטבורד ודוחף על קיר, בסופו של דבר אתה מתגלגל לאחור.

ניתן לחשוב על כוח כעל דחיפה או משיכה. אם רק כוח יחיד פועל על אובייקט, אותו כוח יחיד יגרום לתנועת האובייקט להשתנות ביחס הפוך למסתו.

כוח הוא כמות וקטורית, כלומר יש לו גודל וכיוון. הכיוון של כוח נטו תמיד זהה לכיוון ההאצה או השינוי של תנועה (שעשויה להיות מנוגדת לכיוון התנועה במצבים כאלה שבהם אובייקט מאט מטה.)

יחידת הכוח SI היא הניוטון שבו 1 N = 1 ק"ג / שנייה². יחידת ה- CGS היא הצבע בו 1 dyne = 1gcm / s².

אתה כבר יודע שאתה יכול להפעיל כוח על עצם בעצמך על ידי לחיצה עליו או משיכתו. זה מכונה כוח מגע מכיוון שהוא דורש מגע. אבל יש גם סוגים רבים אחרים של כוחות.

רשימה של כמה כוחות נפוצים שאתה נתקל בהם בעת לימוד פיזיקה כוללת את הדברים הבאים:

• ​כוח כבידה:ה כוח המשיכה על אובייקט ניתן לצפות בתנועת נפילה חופשית, בה אובייקט מואץ לכיוון הקרקע. אבל כוח הכבידה הוא גם מה שמחזיק כוכבי לכת במסלול מה שמונע מכם לעוף לחלל.
• ​כוח רגיל:זהו כוח תומך הפועל בניצב למשטח והוא זה שמונע עצמים ליפול דרך הרצפה או על שולחן השולחן.
• ​כוח אלקטרומגנטי:זה מתייחס באופן קולקטיבי לכוחות מגנטיים וכוחות אלקטרוסטטיים. סוגים אלה של כוחות הם תוצאה של מטען או מטען נע. זו הסיבה שאלקטרונים דוחים זה את זה ומגנטים נדבקים זה לזה.
• ​כוחות חיכוך:ה כוח חיכוך הוא כוח המתנגד לתנועה של אובייקט. זו הסיבה שקשה יותר להחליק ספר על השולחן מאשר להחליק ספר על גיליון קרח. כוח החיכוך משתנה בהתאם למשטחים הנמצאים במגע זה עם זה.
• ​התנגדות אוויר:כוח זה דומה לחיכוך. זה נובע מכך שהאוויר עצמו מתנגד לתנועת עצמים הנופלים דרכו. אם אובייקט נופל מספיק זמן, כוח התנגדות האוויר יגרום לו להשיג את המהירות הסופית שלו.
• ​כוח מתיחה:זהו סוג של כוח המועבר לאורך חוט, חוט או כל דבר דומה.
• ​כוחות יסוד אחרים:ישנם ארבעה כוחות טבע בסיסיים. שניים הם כוח הכבידה ואלקטרומגנטיות, שכבר היו רשומים, והשניים האחרים הם הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק. שני האחרונים הללו בדרך כלל משפיעים רק על דברים בקנה מידה תת-אטומי, ולכן אולי מעולם לא שמעתם עליהם.

החוק השני של ניוטון הזכיר את א כוח נטו. הכוח הנקי על עצם הוא סכום הווקטור של כל הכוחות הפועלים על עצם.

לדוגמה, אתה יכול לגרום לשני אנשים לדחוף על בלוק בכיוונים מנוגדים בכוחות שווים. אבל בסופו של דבר הכוח הנקי הוא 0, מה שאומר שהבלוק לא זז מכיוון ששני הכוחות האלה מבטלים זה את זה.

דיאגרמות גוף חופשיות הן שרטוטים שניתן לצייר המציינים את הגודל והכיוון של כל וקטור כוח באובייקט עם חץ באורך פרופורציונלי המכוון לכיוון הכוח. כשאנו פותרים בעיות פיזיקה הכרוכות בכוחות, סביר להניח שתשרטט הרבה מהדיאגרמות האלה בגלל זה עוזר לדמיין אילו כוחות פועלים ומבהיר יותר כיצד להוסיף את הכוחות כדי להשיג את הרשת כּוֹחַ.

אם אין כוח נטו על אובייקט, פירוש הדבר, באמצעות החוק השני של ניוטון, שתאוצת האובייקט היא 0. במילים אחרות, האובייקט חייב להיות במהירות קבועה.

• שים לב שמהירות קבועה אינה זהה למהירות 0. אובייקט שנע בקצב של 2 מ 'לשנייה למשל, בהכרח אין כוח נטו הפועל עליו.

אולי שמעת על כוח שנקרא כוח צנטריפטלי. זה לא רשום עם הכוחות האחרים בפרק הקודם מכיוון שהוא למעשה סוג של כוח נטו. זהו הכוח הנקי בכיוון הרדיאלי לכל אובייקט שעובר תנועה מעגלית.

תנועה מעגלית, אפילו במהירות קבועה, אינה תנועה מהירה קבועה מכיוון שהיא אינה שומרת על קו ישר. שילוב כלשהו של כוחות חייב לפעול כדי לגרום לתנועה מעגלית. הכוח הצנטריפטלי הוא הכוח נטו הרדיאלי הגורם לסוג זה של תנועה.

• אל תבלבלו בין כוח צנטריפטלי לכוח צנטריפוגלי. האחרון נחשב למעשה לכוח פסאודו. הכוח הוא שנראה כאילו הוא פועל על אובייקט שעובר תנועה מעגלית. לדוגמא, כשאתה ברכב שמפנה לפינה, אתה עלול להרגיש שאתה נלחץ בצד המכונית, אבל מה שקורה בפועל הוא שכוח מושך אותך אל שביל עקום.

נראה שכוחות מסוימים פועלים באופן מסתורי ללא מגע. דוגמה אחת שאתה מכיר היא כוח הכבידה. כאשר אובייקט נשמט, האדמה מושכת אליו את האובייקט מבלי לגעת בו אפילו.

כלי מתמטי אחד שפיתחו פיזיקאים לתיאור תופעה זו הוא הרעיון של תחום. (כן, "שדה כוח" אך לא מהסוג המגן עליך מפני טורפדות פוטון!)

שדה כבידה הוא המשימה, לכל נקודה במרחב, וקטור המציין את הגודל היחסי ו- כיוון כוח הכבידה באותו מיקום ללא תלות באובייקט שעשוי לחוות כוח בו מקום. הערך של שדה הכבידה בכל נקודה נתונה יהיה פשוט כוח הכבידה שיורגש על ידי מסהMבמקום זה, אך חלקיM​.

תפיסה זו של שדה כוח מאפשרת הסבר על כוחות "מסתוריים" אלה שנראים כפועלים מבלי לגעת בשום דבר, על ידי תיאור הכוח הנובע מאובייקט האינטראקציה עם ה- שדה.

בדיוק כמו שדות כבידה, אתה יכול גם לקבל שדה חשמלי או שדה מגנטי המתאר את כוח יחסי ליחידת מטען או (כוח ליחידת רגע מגנטי) שהאובייקט ירגיש בפרט מסוים מקום.