მიუხედავად იმისა, რომ თქვენ ალბათ იცნობთ სიტყვას „ძალა“ და გსმენიათ ის ყოველდღიურ საუბრებში გამოიყენებოდა („მე არჩევანი არ მქონდა - მან მაიძულა ამის გაკეთება!“), იცით თუ არა ფიზიკის განმარტება ძალის შესახებ?
ამ სტატიაში თქვენ შეიტყობთ არა მხოლოდ რა არის სინამდვილეში ძალა, არამედ საიდან გაჩნდა იდეა და როგორ გამოიყენება იგი ფიზიკაში.
მოძრაობის შეცვლა
ფიზიკის სწორი აზროვნების მისაღებად ძალების გასაგებად გაიხსენეთ რა იცით მოძრაობა. თქვენ შეგიძლიათ აღწეროთ ობიექტის პოზიცია (ადგილი სივრცეში) და შეგიძლიათ აღწეროთ, თუ როგორ იცვლება ეს პოზიცია დროში; პოზიციის შეცვლის სიჩქარე ერთეულის დროზე არისსიჩქარე. თქვენ ასევე შეგიძლიათ აღწეროთ, თუ როგორ იცვლება ეს სიჩქარე - ეწოდება სიჩქარის შეცვლის სიჩქარეს ერთეულის დროზეაჩქარება.
ეს ფიზიკური სიდიდეები - პოზიცია, სიჩქარე და აჩქარება ყველაფერია ვექტორული სიდიდეები, რაც ნიშნავს რომ მათთან ასოცირდება სიდიდე და მიმართულება.
თუ ობიექტი ისვენებს, მაგალითად, კლდე, რომელიც ტროტუარზე იჯდა, თქვენ, ალბათ, საკმაოდ დარწმუნებული ხართ, რომ ის იქ დარჩება მანამ, სანამ რამე დააძრავებს მას. ან ვიღაც ტროტუარის გასწვრივ დაარტყამს მას, ან შესაძლოა კლდე ისეთი მსუბუქია, რომ ძლიერი ქარი დაეძახოს. როდესაც ეს ხდება, მისი მოძრაობა იცვლება. ფიზიკური სიდიდე, რომელიც იწვევს ამ ცვლილებას, როგორც გავიგებთ, ძალაა.
თქვენ ალბათ გარკვეულწილად გაგაჩნიათ, რომ გარკვეული საგნების გადაადგილება უფრო რთულია, ვიდრე სხვების. წარმოიდგინეთ პატარა კენჭი მძიმე ლოდთან შედარებით. თქვენ უფრო მეტად უნდა დაგარტყათ ლოდზე, რომ გადაადგილდეთ. ანალოგიურად, თუ ორი ობიექტი - მსუბუქი და მძიმე უკვე მოძრაობდა, უფრო მძიმეა ერთი გაჩერება.
ობიექტის ამ წინააღმდეგობას მისი მოძრაობის ნებისმიერი ცვლილებისადმი ეწოდება მისი ინერცია. რამდენი ძალაა საჭირო გარკვეული ცვლილების მისაღებად, ეს ეხება მასას, რაც ინერციის საზომია.
ფორმალიზაციის ძალები: არისტოტელესგან გალილეოსა და ნიუტონისკენ
ძალის იდეა დიდი ხანია არსებობს, მაგრამ ეს დიდ ნაწილში კარგად არ იყო გაგებული ხახუნის არასწორი ინტერპრეტაციის გამო.
არისტოტელემ შემოგვთავაზა, რომ ყველა ობიექტს აქვს ბუნებრივი მდგომარეობა, რომელშიც მათ დასვენება სურთ და ასეც მოიქცევიან, თუ ძალა არ იმოქმედებს. მან გამოიყენა ეს ცნება იმის ასახსნელად, თუ რატომ ვარდება ობიექტები დედამიწაზე, ან ჩერდება გაჩერებამდე დაჭერის შემდეგ.
თუმცა, გალილეომ უარყო ეს იდეა და ახსნა შემაჩერებელი ძალის არსებობა, რომელსაც უწოდებენ ხახუნს. მან დაადგინა, რომ საგნები გააგრძელებდნენ სწორხაზოვან ბილიკებში მოძრაობას, თუ არ არსებობდა ხახუნი მათი შენელებისთვის.
სერ ისააკ ნიუტონმა უფრო ფართო ფორმალიზაცია მისცა გალილეოს დაკვირვებებს თავის ცნობილთან დაკავშირებით მოძრაობის სამი კანონი. მას შეეძლო აღეწერა თუ რა მოქმედებენ ძალები, როგორ მოქმედებენ ისინი და ერთეულებით რიცხვებიც კი მიაკუთვნეს ცნებას.
ნიუტონის მოძრაობის კანონები
ნიუტონის პირველი მოძრაობის კანონი - რომელსაც ზოგჯერ ინერციის კანონს უწოდებენ - აცხადებს, რომ მოსვენებული ობიექტი დასვენების მდგომარეობაში რჩება, თუ მასზე გაუწონასწორებელი ძალა არ მოქმედებს. ეს ნაწილი საკმაოდ ინტუიტიურია, როდესაც ფიქრობთ, რომ ბორბალზე კლდის დარტყმას აპირებთ. გარდა ამისა, ამ კანონში ნათქვამია, რომ ნებისმიერი ობიექტი, რომელიც განიცდის მუდმივ სიჩქარის მოძრაობას (მოძრაობა მუდმივი სიჩქარით სწორი ხაზით) გააგრძელებს ამას, თუ მასზე არ მოქმედებს წმინდა გარე ძალა.
პირველი კანონის ეს მეორე ნაწილი ნაკლებად ინტუიციურია, რადგან ჩვენს ყოველდღიურ ურთიერთობებში, ობიექტებს არ აქვთ მუდმივად მოძრაობა. მაგრამ ეს იმიტომ ხდება, რომ მათზე მოქმედებს მდგრადი ძალა, რომელსაც უწოდებენ ხახუნს.
ნიუტონის მეორე მოძრაობის კანონი აცხადებს, რომ ობიექტზე წმინდა ძალა (რომელიც წარმოადგენს მოქმედი ყველა ძალების ვექტორულ ჯამს) უდრის ობიექტის პროდუქტს მასა და აჩქარება. Სხვა სიტყვებით:
F_ {net} = მა
ნიუტონის მეორე კანონის მოძრაობამ შეძლო აეხსნა, თუ რატომ არის საჭირო უფრო მძიმე დატვირთვა მძიმე საგნებზე, ვიდრე მსუბუქ ობიექტებზე, რათა მათ მოძრაობა შეცვალონ. იგი ასევე ფორმალურად უკავშირებს ძალას აჩქარების ფიზიკურ რაოდენობას, რაც არის ობიექტის მოძრაობის ცვლილება.
ნიუტონის მესამე მოძრაობის კანონი უფრო განმარტავდა, თუ როგორ მოდის ძალები წყვილებში. მასში ნათქვამია, რომ თუ A ობიექტი ძალას ახდენს B ობიექტზე, მაშინ B ობიექტი ახდენს ძალას A ობიექტზე, რომელიც სიდიდის ტოლია და ძალის საპირისპირო მიმართულებით B ობიექტზე.
ნიუტონის მესამე კანონი განმარტავს, რატომ იბრუნებს იარაღი სროლის დროს და რატომ, თუკი სკეიტბორდზე დგახართ და კედელს უბიძგებთ, ბოლოს უკან ტრიალებთ.
ძალის განმარტება
ძალა შეიძლება მივიჩნიოთ, როგორც ბიძგი ან დაწევა. თუ მხოლოდ ერთი ძალა მოქმედებს ობიექტზე, ეს ერთიანი ძალა გამოიწვევს ობიექტის მოძრაობის შეცვლას მისი მასის უკუპროპორციულად.
ძალა არის ვექტორული სიდიდე, რაც ნიშნავს რომ მას აქვს სიდიდე და მიმართულება. წმინდა ძალის მიმართულება ყოველთვის იგივეა, რაც აჩქარების ან შეცვლის მიმართულება მოძრაობა (რაც შეიძლება მოძრაობის მიმართულების საწინააღმდეგო იყოს ასეთ სიტუაციებში, როდესაც ობიექტი შენელდება ქვემოთ.)
SI ძალის ერთეულია ნიუტონი, სადაც 1 N = 1 კგ / წმ2. CGS ერთეულია დინა, სადაც 1 დინი = 1 გრამი / წმ2.
ძალების მაგალითები
თქვენ უკვე იცით, რომ ობიექტზე შეგიძლიათ ძალა მოახდინოთ მასზე დაჭერით ან დაჭერით. ეს მოიხსენიება როგორც საკონტაქტო ძალა, რადგან ის კონტაქტს მოითხოვს. მაგრამ ძალების მრავალი სხვა ტიპიც არსებობს.
რამდენიმე საერთო ძალების ჩამონათვალი, რომლებსაც ფიზიკის შესწავლისას შეხვდებით, მოიცავს შემდეგს:
- Გრავიტაციული ძალა: სიმძიმის ძალა ობიექტზე შეიძლება შეინიშნოს თავისუფალი ვარდნის მოძრაობის დროს, რომელშიც ობიექტი აჩქარებს მიწისკენ. მაგრამ გრავიტაციული ძალა ის არის, რაც პლანეტებს ორბიტაზე ინახავს და ხელს უშლის კოსმოსში გაფრენისგან.
- ნორმალური ძალა:ეს არის საყრდენი ძალა, რომელიც მოქმედებს ზედაპირზე პერპენდიკულურად და ხელს უშლის საგნების იატაკზე ან მაგიდის ზედაპირიდან ჩავარდნას.
- ელექტრომაგნიტური ძალა:ეს ეხება ერთობლივად მაგნიტურ ძალებს და ელექტროსტატიკურ ძალებს. ამ ტიპის ძალები არის მუხტის ან მოძრავი მუხტის შედეგი. ეს არის მიზეზი, რომ ელექტრონები მოგერიებენ ერთმანეთს და მაგნიტები ერთმანეთთან იკვრება.
- ხახუნის ძალები: ხახუნის ძალა არის ძალა, რომელიც ეწინააღმდეგება ობიექტის მოძრაობას. ეს არის მიზეზი, რომ წიგნის მაგიდის გადაღწევა უფრო რთულია, ვიდრე წიგნის ყინულის ფურცელზე გადატანა. ხახუნის ძალა განსხვავდება იმ ზედაპირებისგან, რომლებიც ერთმანეთთან კონტაქტში არიან.
- Ჰაერის წინაღობა:ეს ძალა ხახუნის მსგავსია. ეს წარმოიქმნება იმის გამო, რომ თავად ჰაერი ეწინააღმდეგება მასში გადავარდნილი ობიექტების მოძრაობას. თუ ობიექტი საკმარისად დიდხანს დაეცა, ჰაერის წინააღმდეგობის ძალა გამოიწვევს მას ტერმინალის სიჩქარის მიღწევას.
- დაძაბულობის ძალა:ეს არის ტიპის ძალა, რომელიც გადადის სიმების, მავთულის ან მსგავსი რამის გასწვრივ.
- სხვა ფუნდამენტური ძალები:არსებობს ბუნების ოთხი ფუნდამენტური ძალა. ორი არის სიმძიმე და ელექტრომაგნეტიზმი, რომლებიც უკვე ჩამოთვლილი იყო, ხოლო დანარჩენი ორი არის სუსტი ბირთვული ძალა და ძლიერი ბირთვული ძალა. ეს ორი უკანასკნელი, როგორც წესი, მოქმედებს მხოლოდ სუბატომური მასშტაბის საგნებზე, რის გამოც მათ შესახებ არასდროს გსმენიათ.
წმინდა ძალისა და სხეულის თავისუფალი დიაგრამები
ნიუტონის მეორე კანონში აღინიშნა ა წმინდა ძალა. წმინდა ძალა ობიექტზე არის ობიექტზე მოქმედი ყველა ძალების ვექტორული ჯამი.
მაგალითად, თქვენ შეიძლება გყავდეთ ორი ადამიანი, რომლებიც თანაბარი ძალებით უბიძგებენ ბლოკს საპირისპირო მიმართულებით. მაგრამ წმინდა ძალა მთავრდება 0, რაც ნიშნავს, რომ ბლოკი არ მოძრაობს, რადგან ეს ორი ძალა ერთმანეთს აუქმებს.
სხეულის თავისუფალი დიაგრამები არის ესკიზები, რომელთა გამოსახატად შეგიძლიათ მიუთითოთ თითოეული ძალის ვექტორის სიდიდე და მიმართულება ობიექტზე, რომლის პროპორციული სიგრძის ისარი მიუთითებს ძალის მიმართულებით. ფიზიკის პრობლემების გადაჭრისას, რომლებიც ძალებს მოიცავს, თქვენ სავარაუდოდ ნახავთ ამ დიაგრამების უამრავ მონაკვეთს ხელს უწყობს ვიზუალიზაციას, თუ რა ძალები მოქმედებენ და უფრო ნათლად აჩვენებს, თუ როგორ უნდა დაამატოთ ძალები ერთად ქსელის მისაღებად ძალა.
თუ ობიექტზე არ არის წმინდა ძალა, ეს ნიშნავს, ნიუტონის მეორე კანონის მეშვეობით, რომ ობიექტის აჩქარება არის 0. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ობიექტს უნდა ჰქონდეს მუდმივი სიჩქარე.
Რჩევები
გაითვალისწინეთ, რომ მუდმივი სიჩქარე არ არის იგივე, რაც 0 სიჩქარე. მაგალითად, მუდმივ 2 მ / წმ – ზე მოძრავ ობიექტს მას აუცილებლად არ აქვს მოქმედი წმინდა ძალა.
შეიძლება გსმენიათ ძალაზე, რომელსაც ცენტრიდანული ძალა ეწოდება. ეს წინა ნაწილში სხვა ძალებთან არ იყო ჩამოთვლილი, რადგან სინამდვილეში ეს არის ქსელის ძალის ტიპი. ეს არის წმინდა ძალა რადიალური მიმართულებით ნებისმიერი ობიექტისთვის, რომელსაც წრიული მოძრაობა აქვს.
წრიული მოძრაობა, მუდმივი სიჩქარითაც კი, არ არის მუდმივი სიჩქარის მოძრაობა, რადგან ის არ ინარჩუნებს სწორხაზოვან ბილიკს. ძალთა ერთობლიობა უნდა მოქმედებდეს წრიული მოძრაობის გამომწვევად. ცენტრიდანული ძალა არის რადიალური ქსელი, რომელიც იწვევს ამ ტიპის მოძრაობას.
Რჩევები
ნუ ერევით ცენტრიდანულ ძალას ცენტრიდანულ ძალაში. ეს უკანასკნელი რეალურად ითვლება ფსევდო-ძალად. ეს არის ძალა, რომელიც, როგორც ჩანს, მოქმედებს წრიული მოძრაობის ობიექტზე. მაგალითად, როდესაც მანქანაში იმყოფებით, რომელიც კუთხეს უხვევს, შეიძლება იგრძნოთ, რომ ზეწოლა გიწევთ მანქანის გვერდით, მაგრამ სინამდვილეში რა ხდება არის ის, რომ ძალა გიბიძგებს თქვენში მოღუნული გზა.
ძალები და ველები
გარკვეული ძალები, როგორც ჩანს, საიდუმლოებით მოქმედებენ კონტაქტის გარეშე. ერთი მაგალითი, რომელიც თქვენ იცით, არის გრავიტაციული ძალა. ობიექტის ჩამოვარდნისას დედამიწა მიჰყავს ამ ობიექტს მისკენ შეხების გარეშეც.
ერთი მათემატიკური ინსტრუმენტი, რომელიც ფიზიკოსებმა ამ ფენომენის აღსაწერად შეიმუშავეს, არის სფეროს ცნება. (დიახ, "ძალის ველი", მაგრამ არა ისეთი, რომელიც გიცავთ ფოტონული ტორპედოებისგან!)
გრავიტაციული ველი არის დავალება, სივრცის თითოეულ წერტილზე, ვექტორი, რომელიც მიუთითებს ფარდობით სიდიდეზე და გრავიტაციული ძალის მიმართულება იმ ადგილას, იმისგან დამოუკიდებლად, თუ რა ობიექტი შეიძლება განიცდიდეს ძალას ადგილმდებარეობა გრავიტაციული ველის ღირებულება მოცემულ წერტილში უბრალოდ იქნება გრავიტაციული ძალა, რომელსაც გრძნობს მასამიმ ადგილას, მაგრამ იყოფამ.
ძალის ველის ეს ცნება საშუალებას გვაძლევს აიხსნას ამ "იდუმალი" ძალების შესახებ, რომლებიც, როგორც ჩანს, მოქმედებენ რაიმეს შეხების გარეშე, ძალების აღწერით, როგორც ობიექტის ურთიერთქმედება ველი
გრავიტაციული ველების მსგავსად, თქვენ ასევე შეგიძლიათ ელექტრული ველი ან მაგნიტური ველი, რომელიც აღწერს ფარდობითი ძალა ერთეულის მუხტზე ან (ძალა ერთეულზე მაგნიტური მომენტი), რომელსაც ობიექტი იგრძნობს რომელიმე კონკრეტულში ადგილმდებარეობა