Kas yra pajėgos? (Fizika)

Nors jūs tikriausiai žinote žodį „jėga“ ir girdėjote jį vartojant kasdieniuose pokalbiuose („Aš neturėjau kito pasirinkimo - jis privertė mane tai padaryti!“), Ar žinote fizikos jėgos apibrėžimą?

Šiame straipsnyje sužinosite ne tik tai, kas iš tikrųjų yra jėga, bet ir iš kur kilo idėja bei kaip ji naudojama fizikoje.

Norėdami suprasti teisingą fizikos mąstyseną, kad suprastumėte jėgas, prisiminkite, apie ką žinote judesio. Galite apibūdinti objekto padėtį (vietą erdvėje) ir aprašyti, kaip ta padėtis keičiasi laike; padėties pokyčio greitis per laiko vienetą yragreitis. Taip pat galite apibūdinti, kaip keičiasi tas greitis - vadinamas greičio kitimo greitis per laiko vienetąpagreitis​.

Šie fiziniai dydžiai - padėtis, greitis ir pagreitis - yra visi vektoriniai dydžiai, tai reiškia, kad jie turi didumą ir kryptį.

Jei daiktas yra ramybės būsenoje, pavyzdžiui, ant šaligatvyje sėdinčios uolos, greičiausiai esate gana tikras, kad jis liks ten, kol kažkas privers jį judėti. Arba kas nors, einantis šaligatviu, jį spardo, o gal uola yra pakankamai lengva, kad ją stumtų stiprus vėjas. Kai tai įvyksta, jo judėjimas pasikeičia. Fizinis dydis, sukeliantis šį pokytį, kaip sužinosime, yra jėga.

Jūs tikriausiai taip pat suprantate, kad tam tikrus daiktus sunkiau perkelti nei kitus. Įsivaizduokite mažą akmenuką, palyginti su sunkiu rieduliu. Jums reikės daug stipriau spardyti riedulį, kad jis judėtų. Panašiai, jei jau judėjo du daiktai - lengvas ir sunkus -, sunkesnį sustojimą padaryti daug sunkiau.

Šis objekto atsparumas bet kokiems jo judėjimo pokyčiams vadinamas jo inercija. Kiek jėgos reikia tam tikram pokyčiui įgyvendinti, bus susijęs su mase, kuri yra inercijos matas.

Jėgos idėja egzistavo ilgą laiką, tačiau ji buvo nepakankamai suprantama dėl klaidingos trinties interpretacijos.

Aristotelis pasiūlė, kad visi objektai turėtų natūralią būseną, kurioje jie nori ilsėtis, ir tai padarys, nebent veiks jėga. Jis naudojo šią sąvoką paaiškindamas, kodėl daiktai krenta į žemę arba po to, kai juos stumia, lėtai sustoja.

Tačiau Galileo paneigė šią idėją ir paaiškino stabdymo jėgos, vadinamos trintimi, egzistavimą. Jis nustatė, kad objektai judės tiesiais keliais, jei nebus trinties, kuri juos sulėtintų.

Seras Isaacas Newtonas su savo garsiuoju suteikė didesnį Galileo pastebėjimų įforminimą trys judesio dėsniai. Jis sugebėjo apibūdinti, ką daro jėgos, kaip jos veikia, ir netgi priskirti skaičius su vienetais.

Pirmasis Niutono judėjimo dėsnis - kartais vadinamas inercijos dėsniu - teigia, kad ramybės būsenoje esantis objektas lieka ramybės būsenoje, nebent jį veikia nesubalansuota jėga. Ši dalis yra gana intuityvi, kai pagalvoji, kaip spardyti uolą ant šaligatvio. Be to, šiame dėsnyje teigiama, kad bet kuris objektas, patiriantis pastovų greičio judėjimą (judėjimas pastoviu greičiu tiesia linija) ir toliau tai darys, nebent veiktų grynoji išorinė jėga.

Ta pirmojo dėsnio antroji dalis yra mažiau intuityvi, nes kasdienybėje bendraujant daiktai nėra linkę amžinai judėti. Bet taip yra todėl, kad juos veikia rezistinė jėga, vadinama trintimi.

Antrasis Niutono judėjimo dėsnis teigia, kad grynoji objekto jėga (kuri yra visų veikiančių jėgų vektorinė suma) yra lygi objekto masės ir pagreitis. Kitaip tariant:

Antrasis Niutono judesio dėsnis sugebėjo paaiškinti, kodėl jūs turite sunkiau spausti sunkius daiktus, nei jūs darote lengvesnius daiktus, kad jie pakeistų savo judėjimą. Tai taip pat formaliai susiejo jėgą su fiziniu pagreičio dydžiu, kuris yra objekto judėjimo pokytis.

Trečiasis Niutono judėjimo dėsnis dar labiau paaiškino, kaip jėgos ateina poromis. Jame teigiama, kad jei objektas A daro jėgą objektui B, tai objektas B taiko jėgą objektui A, kurio dydis yra lygus ir priešinga jėgos objektui B kryptimi.

Trečiasis Niutono įstatymas paaiškina, kodėl ginklai atsitraukia, kai jie šaudomi, ir kodėl, jei atsistoji ant riedlentės ir stumiesi prie sienos, galų gale riedi atgal.

Jėga gali būti laikoma stumimu ar traukimu. Jei daiktą veikia tik viena jėga, ta vienintelė jėga sukels objekto judėjimą atvirkščiai proporcingai jo masei.

Jėga yra vektorinis dydis, reiškiantis, kad ji turi dydį ir kryptį. Grynosios jėgos kryptis visada sutampa su pagreičio ar pasikeitimo kryptimi judėjimas (kuris gali būti priešingas judėjimo krypčiai tokiose situacijose, kai objektas lėtėja žemyn.)

SI jėgos vienetas yra niutonas, kur 1 N = 1 kgm / s². CGS vienetas yra dažiklis, kuriame 1 dyna = 1gcm / s².

Jūs jau žinote, kad daiktą galite jėgoti patys, stumdami ar traukdami. Tai vadinama kontaktine jėga, nes jai reikia kontakto. Tačiau yra ir daugybė kitų rūšių pajėgų.

Kai kurių bendrų jėgų, su kuriomis susiduriate studijuodamas fiziką, sąrašas apima:

• ​Gravitacinė jėga:The traukos jėga ant daikto galima stebėti laisvo kritimo judėjimo metu, kai objektas įsibėgėja link žemės. Tačiau gravitacinė jėga taip pat palaiko planetas orbitoje ir neleidžia išskristi į kosmosą.
• ​Normali jėga:Tai yra statmenai paviršiui veikianti atraminė jėga, kuri neleidžia daiktams nukristi per grindis ar stalviršį.
• ​Elektromagnetinė jėga:Tai bendrai reiškia magnetines jėgas ir elektrostatines jėgas. Šio tipo jėgos yra krūvio arba judančio krūvio rezultatas. Tai yra priežastis, dėl kurios elektronai atstumia vienas kitą ir magnetai sulimpa.
• ​Trinties jėgos:The trinties jėga yra jėga, kuri priešinasi objekto judėjimui. Tai yra priežastis, kodėl knygą perstumti per stalą yra sunkiau nei per ledo lakštą. Trinties jėga skiriasi priklausomai nuo vienas su kitu besiliečiančių paviršių.
• ​Oro pasipriešinimas:Ši jėga panaši į trintį. Jis atsiranda dėl to, kad pats oras priešinasi pro jį krentančių objektų judėjimui. Jei daiktas krenta pakankamai ilgai, oro pasipriešinimo jėga paskatins jį pasiekti galinį greitį.
• ​Įtempimo jėga:Tai yra jėgos rūšis, perduodama išilgai stygos, vielos ar bet ko panašaus.
• ​Kitos pagrindinės jėgos:Yra keturios pagrindinės gamtos jėgos. Du yra gravitacija ir elektromagnetizmas, kurie jau buvo išvardyti, o kiti du yra silpna ir stipri branduolinė jėga. Šie du paskutiniai dalykai paprastai veikia tik subatominę skalę, todėl jūs galbūt niekada jų negirdėjote.

Antrasis Niutono įstatymas minėjo a grynoji jėga. Grynoji objekto jėga yra visų objektą veikiančių jėgų vektorinė suma.

Pavyzdžiui, galite, kad du žmonės vienodomis jėgomis stumtų bloką priešingomis kryptimis. Bet grynoji jėga galiausiai yra 0, o tai reiškia, kad blokas nejuda, nes šios dvi jėgos viena kitą panaikina.

Laisvos kūno diagramos yra eskizai, kuriuos galite piešti nurodydami kiekvieno jėgos vektoriaus dydį ir kryptį objekte proporcingo ilgio rodykle, nukreipta jėgos kryptimi. Spręsdami fizikos uždavinius, susijusius su jėgomis, greičiausiai nupiešite daugybę šių diagramų, nes taip padeda vizualizuoti, kokios jėgos veikia, ir paaiškina, kaip susieti jėgas, kad gautų tinklą jėga.

Jei objektui nėra grynosios jėgos, tai pagal antrąjį Niutono dėsnį reiškia, kad objekto pagreitis yra 0. Kitaip tariant, objekto greitis turi būti pastovus.

• Atkreipkite dėmesį, kad pastovus greitis nėra tas pats kaip 0 greitis. Pavyzdžiui, pastoviu 2 m / s greičiu judantis objektas būtinai neturi jokios veikiančios grynosios jėgos.

Galbūt girdėjote apie jėgą, vadinamą centripetaline jėga. Tai nebuvo išvardyta kartu su kitomis jėgomis ankstesniame skyriuje, nes tai iš tikrųjų yra grynosios jėgos rūšis. Tai yra bet kurio objekto, kuriam atliekamas sukamasis judėjimas, grynoji jėga radialine kryptimi.

Sukamasis judėjimas, net ir pastoviu greičiu, nėra pastovus judėjimas greičiu, nes jis nepalaiko tiesios kelio. Tam tikras jėgų derinys turi veikti sukdamas sukamuosius judesius. Išcentrinė jėga yra radialinė grynoji jėga, sukelianti tokio tipo judesius.

• Nepainiokite išcentrinės jėgos su išcentrine jėga. Pastarasis iš tikrųjų laikomas pseudo jėga. Atrodo, kad jėga veikia objektą, kuriam atliekamas sukamasis judesys. Pavyzdžiui, kai esate automobilyje, kuris pasuka už posūkio, galite pajusti, kad jus spaudžia prieš automobilio šoną, bet iš tikrųjų vyksta tai, kad jėga traukia jus į a kreivas kelias.

Atrodo, kad tam tikros jėgos elgiasi paslaptingai be kontakto. Vienas jums pažįstamas pavyzdys yra traukos jėga. Kai daiktas numetamas, žemė traukia tą daiktą link savęs, net jo neliesdama.

Viena matematinė priemonė, kurią fizikai sukūrė apibūdindami šį reiškinį, yra lauko sąvoka. (Taip, „jėgos laukas“, bet ne toks, kuris apsaugo jus nuo fotonų torpedų!)

Gravitacinis laukas yra kiekvieno erdvės taško priskyrimas vektoriui, nurodančiam santykinį dydį ir gravitacinės jėgos kryptis toje vietoje, nepriklausomai nuo to, koks objektas gali patirti jėgą vieta. Gravitacinio lauko vertė bet kuriame taške paprasčiausiai būtų gravitacinė jėga, kurią pajustų masėmtoje vietoje, bet padalinta išm​.

Ši jėgos lauko samprata leidžia paaiškinti šias „paslaptingas“ jėgas, kurios tarsi veikia nieko neliesdami, apibūdindami jėgą, atsirandančią dėl objekto, sąveikaujančio su srityje.

Kaip ir gravitaciniai laukai, taip pat galite turėti elektrinį lauką arba magnetinį lauką, apibūdinantį santykinė jėga vienam įkrovos vienetui arba (jėga magnetinio momento vienetui), kurią daiktas pajustų konkrečiu atveju vieta.