あなたはおそらく「力」という言葉に精通していて、日常会話で使われているのを聞いたことがあるでしょう（「私には選択の余地がありませんでした。彼は私にそれを強制しました！」）。
この記事では、力が実際に何であるかだけでなく、アイデアがどこから来たのか、そしてそれが物理学でどのように使用されているのかを学びます。
動きを変える
力を理解するための正しい物理学の考え方を身につけるために、あなたが知っていることを思い出してください モーション. オブジェクトの位置（空間内の位置）を記述でき、その位置が時間とともにどのように変化するかを記述できます。 単位時間あたりの位置の変化率は速度. また、その速度がどのように変化するかを説明することもできます。単位時間あたりの速度の変化率は、加速度.
これらの物理量（位置、速度、加速度）はすべて ベクトル量、つまり、大きさと方向が関連付けられています。
歩道に座っている岩など、オブジェクトが静止している場合は、何かが動くまでそこにとどまるとかなり確信している可能性があります。 歩道を歩いている人がそれを蹴るか、あるいは岩が強風に押されるほど軽いのかもしれません。 これが発生すると、その動きが変化します。 この変化を引き起こす物理量は、これから学習するように、力です。
また、特定のオブジェクトは他のオブジェクトよりも移動が難しいという感覚もあるでしょう。 重い岩と比較して小さな小石を想像してみてください。 ボルダーを動かすには、ボルダーをもっと強く蹴る必要があります。 同様に、軽いオブジェクトと重いオブジェクトの2つのオブジェクトがすでに動いている場合、重いオブジェクトを1つ停止させるのははるかに困難です。
動きの変化に対するオブジェクトのこの抵抗は、その動きと呼ばれます 慣性. 特定の変化を起こすのに必要な力は、慣性の尺度である質量に関係します。
公式化する力：アリストテレスからガリレオとニュートンまで
力の概念は長い間存在していましたが、摩擦の誤解のために、大部分はよく理解されていませんでした。
アリストテレスは、すべての物体が休息したい自然な状態を持っており、力が作用しない限りそうすることを提案しました。 彼はこの概念を使用して、オブジェクトが地球に落下する理由、または押された後に停止するのが遅い理由を説明しました。
しかし、ガリレオはこの考えに反論し、摩擦と呼ばれる停止力の存在を説明しました。 彼は、オブジェクトの速度を落とす摩擦がなければ、オブジェクトは直線経路を移動し続けると判断しました。
アイザックニュートン卿は、彼の有名なガリレオの観察に、より大きな形式化を与えました 運動の3つの法則. 彼は、力が何をするのか、それらがどのように作用するのかを説明することができ、概念に単位で数字を帰することさえできました。
ニュートンの運動の法則
ニュートンの最初の運動の法則（慣性の法則と呼ばれることもあります）は、不均衡な力が作用しない限り、静止しているオブジェクトは静止状態のままであると述べています。 この部分は、歩道で岩を蹴るのを思い出すと、かなり直感的です。 さらに、この法則は、一定速度の運動（直線経路で一定速度で運動する）を受けているオブジェクトは、正味の外力が作用しない限り、そうし続けると述べています。
最初の法則のその2番目の部分は、私たちの日常のやり取りでは、オブジェクトが永遠に動き続ける傾向がないため、直感的ではありません。 しかし、それは摩擦と呼ばれる抵抗力が作用するためです。
ニュートンの第2運動法則は、オブジェクトにかかる正味の力（作用するすべての力のベクトル和）は、オブジェクトの積に等しいと述べています。 質量 と加速。 言い換えると：
F_ {net} = ma
ニュートンの第2運動法則は、軽い物体よりも重い物体を強く押して運動を変化させる必要がある理由を説明することができました。 また、力を物理的な加速度の量、つまりオブジェクトの動きの変化に正式に関連付けました。
ニュートンの第3運動法則は、力がどのように対になるかをさらに説明しました。 オブジェクトAがオブジェクトBに力を加えると、オブジェクトBはオブジェクトAに力を加えます。この力は、大きさが等しく、オブジェクトBにかかる力とは反対の方向です。
ニュートンの第3法則は、銃が撃たれたときに反動する理由と、スケートボードに立って壁を押すと、後ろに転がってしまう理由を説明しています。
力の定義
力は、プッシュまたはプルと考えることができます。 単一の力だけがオブジェクトに作用する場合、その単一の力により、オブジェクトの動きはその質量に反比例して変化します。
力はベクトル量であり、大きさと方向があることを意味します。 正味の力の方向は、加速度または変化の方向と常に同じです。 モーション（オブジェクトが減速しているような状況では、モーションの方向と反対になる場合があります ダウン。）
SIの力の単位は、1 N = 1 kgm / sのニュートンです。2. CGS単位は、1ダイン= 1gcm / sのダインです。2.
力の例
オブジェクトを押したり引いたりすることで、自分でオブジェクトに力を加えることができることはすでにご存知でしょう。 これは、接触が必要なため、接触力と呼ばれます。 しかし、他にも多くの種類の力があります。
物理学を勉強するときに遭遇するいくつかの一般的な力のリストは次のとおりです。
- 重力：ザ・ 重力 物体が地面に向かって加速する自由落下運動中に、物体上を観察できます。 しかし、重力は惑星を軌道に乗せ続けるものでもあり、あなたが宇宙に飛び立つのを防ぐものでもあります。
- 法線力：これは、表面に対して垂直に作用する支持力であり、物体が床やテーブルトップから落下するのを防ぎます。
- 電磁力：これは、磁力と静電力を総称して指します。 これらのタイプの力は、電荷または移動電荷の結果です。 これが、電子が互いに反発し、磁石がくっつく理由です。
- 摩擦力：ザ・ 摩擦力 オブジェクトの動きに対抗する力です。 氷床を横切って本をスライドさせるよりも、テーブルを横切って本をスライドさせる方が難しいのはそのためです。 摩擦力は、接触する面によって異なります。
- 空気抵抗：この力は摩擦に似ています。 それは、空気自体が空気中を落下する物体の動きに対抗することから生じます。 物体が十分に長く落下すると、空気抵抗の力によって物体は終端速度に到達します。
- 張力：これは、弦やワイヤーなどに沿って伝達される力の一種です。
- その他の基本的な力：自然の4つの基本的な力があります。 2つはすでにリストされている重力と電磁気学であり、他の2つは弱い核力と強い核力です。 これらの最後の2つは通常、素粒子スケールでのみ影響を及ぼします。そのため、聞いたことがないかもしれません。
正味の力と自由体図
ニュートンの第2法則は、 正味の力. オブジェクトに作用する正味の力は、オブジェクトに作用するすべての力のベクトル和です。
たとえば、2人が同じ力で反対方向にブロックを押すようにすることができます。 しかし、正味の力は最終的に0になります。これは、これら2つの力が互いに打ち消し合うため、ブロックが移動しないことを意味します。
自由体図は、オブジェクトの各力ベクトルの大きさと方向を示すスケッチであり、力の方向を指す比例した長さの矢印が付いています。 力を含む物理問題を解くとき、これらの図の多くをスケッチする可能性があります。 どの力が作用しているかを視覚化するのに役立ち、ネットを取得するために力を合計する方法をより明確にします 力。
オブジェクトに正味の力がない場合、これは、ニュートンの第2法則により、オブジェクトの加速度が0であることを意味します。 言い換えれば、オブジェクトは一定の速度を持っている必要があります。
チップ
一定速度は0速度と同じではないことに注意してください。 たとえば、一定の2 m / sで移動するオブジェクトには、必ずしも正味の力が作用していません。
求心力と呼ばれる力について聞いたことがあるかもしれません。 これは実際には正味の力の一種であるため、前のセクションの他の力と一緒にリストされていません。 これは、円運動をしているオブジェクトの半径方向の正味の力です。
円運動は、一定の速度であっても、直線経路を維持しないため、一定の速度の運動ではありません。 力のいくつかの組み合わせは、円運動を引き起こすように作用する必要があります。 求心力は、このタイプの運動を引き起こす半径方向の正味の力です。
チップ
求心力と遠心力を混同しないでください。 後者は実際には疑似力と見なされます。 円を描く物体に作用しているように見える力です。 たとえば、角を曲がる車に乗っているとき、あなたはあなたが押されているように感じるかもしれません 車の側面に対して、しかし実際に起こっていることは、力があなたを車の中に引き込んでいるということです 曲がった道。
力とフィールド
特定の力は、接触なしで不思議に行動しているようです。 あなたがよく知っている一例は重力です。 物体を落とすと、地球はその物体に触れずにその物体を引き寄せます。
この現象を説明するために物理学者が開発した数学的ツールの1つは、フィールドの概念です。 （はい、「力場」ですが、光子魚雷からあなたを保護するようなものではありません！）
重力場は、空間内の各点への、相対的な大きさと どのオブジェクトがその場所で力を受ける可能性があるかに関係なく、その場所での重力の方向 ロケーション。 任意の点での重力場の値は、単に質量によって感じられる重力です。mその場所で、しかしで割ったm.
力場のこの概念は、作用しているように見えるこれらの「神秘的な」力の説明を可能にします 何にも触れずに、オブジェクトが相互作用することから生じる力を説明することによって フィールド。
重力場と同じように、電場または磁場を記述して、 単位電荷あたりの相対力または（単位磁気モーメントあたりの力）オブジェクトが特定の場所で感じる ロケーション。