Kas ir spēki? (Fizika)

Kaut arī jūs, visticamāk, esat pazīstams ar vārdu “spēks” un esat dzirdējis, ka tas tiek izmantots ikdienas sarunās (“Man nebija citas izvēles - viņš mani piespieda to darīt!”), Vai jūs zināt spēka fizikas definīciju?

Šajā rakstā jūs uzzināsiet ne tikai to, kas patiesībā ir spēks, bet arī to, no kurienes radās ideja un kā to izmanto fizikā.

Lai izprastu spēkus pareizajā fizikas domāšanā, atcerieties, par ko jūs zināt kustība. Jūs varat aprakstīt objekta atrašanās vietu (atrašanās vietu telpā) un varat aprakstīt, kā šī pozīcija mainās laikā; pozīcijas maiņas ātrums laika vienībā irātrums. Varat arī aprakstīt, kā mainās šis ātrums - tiek saukts ātruma izmaiņu ātrums uz laika vienībupaātrinājums​.

Šie fiziskie lielumi - atrašanās vieta, ātrums un paātrinājums - ir visi vektoru daudzumi, kas nozīmē, ka ar tiem ir saistīts lielums un virziens.

Ja kāds objekts ir miera stāvoklī, piemēram, klints, kas sēž uz ietves, jūs, visticamāk, esat diezgan pārliecināts, ka tas paliks tur, kamēr kaut kas liks tam kustēties. Vai nu kāds, kas iet pa ietvi, to spārda, vai arī, iespējams, klints ir pietiekami viegla, lai to varētu pagrūst spēcīgs vējš. Kad tas notiek, tā kustība mainās. Fiziskais daudzums, kas izraisa šīs izmaiņas, kā mēs uzzināsim, ir spēks.

Jums, iespējams, ir arī kāda nojauta, ka noteiktus priekšmetus ir grūtāk pārvietot nekā citus. Iedomājieties nelielu oļu, salīdzinot ar smago laukakmeni. Jums vajadzētu daudz spēcīgāk spert laukakmeni, lai tas kustētos. Līdzīgi, ja divi objekti - viegls un smags - jau pārvietojās, ir daudz grūtāk izdarīt smagāku vienu pieturu.

Šī objekta pretestība jebkurām izmaiņām tā kustībā tiek saukta par to inerce. Tas, cik liels spēks ir vajadzīgs noteiktu izmaiņu ieviešanai, attieksies uz masu, kas ir inerces mērs.

Spēka ideja pastāv jau ilgu laiku, taču lielā mērā tā nebija labi saprotama, jo tika nepareizi interpretētas berzes.

Aristotelis ierosināja, ka visiem objektiem ir dabisks stāvoklis, kurā viņi vēlas atpūsties, un ka viņi to darīs, ja vien nedarbosies spēks. Viņš izmantoja šo jēdzienu, lai izskaidrotu, kāpēc priekšmeti nokrīt uz zemes vai pēc nospiešanas palēnina apstāšanos.

Galileo tomēr atspēkoja šo ideju un paskaidroja, ka pastāv apstādināšanas spēks, ko sauc par berzi. Viņš noteica, ka objekti turpinās pārvietoties pa taisniem ceļiem, ja nebūs berzes, kas tos palēninātu.

Sers Īzaks Ņūtons ar savu slaveno sniedza lielāku formalizāciju Galileo novērojumiem trīs kustības likumi. Viņš spēja aprakstīt, ko spēki dara, kā viņi darbojas, un pat piedēvē jēdzienam skaitļus ar vienībām.

Ņūtona pirmais kustības likums - dažreiz saukts par inerces likumu - nosaka, ka objekts, kas atrodas miera stāvoklī, paliek miera stāvoklī, ja vien uz to nedarbojas nelīdzsvarots spēks. Šī daļa ir diezgan intuitīva, ja domājat atpakaļ, lai spertu klinti uz ietves. Turklāt šis likums nosaka, ka jebkurš objekts, kas tiek pakļauts nemainīga ātruma kustībai (kustība ar nemainīgu ātrumu taisnas līnijas ceļā), turpinās to darīt, ja vien to nerīkos ārējais neto spēks.

Pirmā likuma otrā daļa ir mazāk intuitīva, jo mūsu ikdienas mijiedarbībā objekti nemēdz kustēties uz visiem laikiem. Bet tas ir tāpēc, ka uz tiem iedarbojas pretestības spēks, ko sauc par berzi.

Ņūtona otrais kustības likums nosaka, ka neto spēks uz objektu (kas ir visu darbojošos spēku vektoru summa) ir vienāds ar objekta masa un paātrinājums. Citiem vārdiem sakot:

Ņūtona otrais kustības likums spēja izskaidrot, kāpēc ir tā, ka jums smagāk jāpiespiež smagie priekšmeti nekā vieglākiem priekšmetiem, lai tie mainītu kustību. Tas formāli saistīja spēku arī ar paātrinājuma fizisko daudzumu, kas ir objekta kustības izmaiņas.

Trešais Ņūtona kustības likums paskaidroja, kā spēki nāk pa pāriem. Tas nosaka, ka, ja objekts A pieliek spēku objektam B, tad objekts B pieliek spēku objektam A, kas ir vienāds pēc lieluma un pretējā virzienā spēkam pret objektu B.

Ņūtona trešais likums izskaidro, kāpēc ieroči atsitas, kad tos nošauj, un kāpēc, ja jūs stāvat uz skrituļdēļa un spiežat pret sienu, jūs galu galā ripojat atpakaļ.

Spēku var uzskatīt par grūdienu vai vilkšanu. Ja uz objektu darbojas tikai viens spēks, šis vienīgais spēks izraisīs objekta kustības apgrieztas proporcijas attiecībā pret tā masu.

Spēks ir vektora lielums, kas nozīmē, ka tam ir lielums un virziens. Tīrā spēka virziens vienmēr ir tāds pats kā paātrinājuma vai maiņas virziens kustība (kas var būt pretēja kustības virzienam šādās situācijās, kad objekts palēninās uz leju.)

SI spēka vienība ir ņūtons, kur 1 N = 1 kgm / s². CGS vienība ir krāsviela, kur 1 dyna = 1gcm / s².

Jūs jau zināt, ka jūs pats varat iedarboties uz objektu, to nospiežot vai velkot. To sauc par kontaktspēku, jo tam nepieciešams kontakts. Bet ir arī daudzi citi spēku veidi.

Dažu kopīgu spēku saraksts, ar kuru jūs sastopaties, studējot fiziku, ir šāds:

• ​Gravitācijas spēks:The smaguma spēks uz objekta var novērot brīvas kritiena kustības laikā, kurā objekts paātrinās zemes virzienā. Bet gravitācijas spēks ir arī tas, kas notur planētas orbītā, un kas neļauj lidot kosmosā.
• ​Normāls spēks:Tas ir atbalsta spēks, kas darbojas perpendikulāri virsmai un ir tas, kas neļauj priekšmetiem izkrist caur grīdu vai galda virsmu.
• ​Elektromagnētiskais spēks:Tas kopā attiecas uz magnētiskajiem spēkiem un elektrostatiskajiem spēkiem. Šāda veida spēki rodas lādiņa vai kustīgas lādiņa rezultātā. Tas ir iemesls, kāpēc elektroni viens otru atgrūž, un magnēti turas kopā.
• ​Berzes spēki:The berzes spēks ir spēks, kas iebilst pret objekta kustību. Tas ir iemesls, kāpēc ir grūtāk bīdīt grāmatu pāri galdam nekā bīdīt grāmatu ledus loksnei. Berzes spēks mainās atkarībā no virsmām, kuras saskaras viena ar otru.
• ​Gaisa pretestība:Šis spēks ir līdzīgs berzei. Tas rodas no tā, ka pats gaiss ir pretrunā ar objektu kustību, kas tam izkrīt. Ja objekts nokrīt pietiekami ilgi, gaisa pretestības spēks liks tam sasniegt tā gala ātrumu.
• ​Spriegojuma spēks:Tas ir tāda veida spēks, kas tiek pārvietots pa virkni, stiepli vai jebko līdzīgu.
• ​Citi pamatspēki:Dabā ir četri fundamentāli spēki. Divi ir gravitācija un elektromagnētisms, kas jau bija uzskaitīti, un pārējie divi ir vājš kodolspēks un spēcīgais kodolspēks. Šie pēdējie divi parasti ietekmē lietas tikai subatomiskā mērogā, tāpēc jūs, iespējams, nekad neesat par tiem dzirdējuši.

Ņūtona otrajā likumā tika pieminēts a neto spēks. Neto spēks uz objektu ir visu uz objektu iedarbojošos spēku vektoru summa.

Piemēram, jums var būt divi cilvēki, kas ar vienādiem spēkiem nospiež bloku pretējos virzienos. Bet tīrais spēks beidzas ar 0, kas nozīmē, ka bloks nepārvietojas, jo šie divi spēki viens otru atceļ.

Bezmaksas ķermeņa diagrammas ir skices, kuras jūs varat uzzīmēt, norādot katra spēka vektora lielumu un virzienu uz objektu ar proporcionāla garuma bultiņu, kas vērsta spēka virzienā. Risinot fizikas problēmas, kas saistītas ar spēkiem, jūs, iespējams, ieskicēsiet daudz šo diagrammu, jo tā palīdz vizualizēt, kādi spēki darbojas, un padara skaidrāku to, kā apvienot spēkus, lai iegūtu tīklu spēks.

Ja uz objektu nav neto spēka, tas, izmantojot Ņūtona otro likumu, nozīmē, ka objekta paātrinājums ir 0. Citiem vārdiem sakot, objektam jābūt nemainīgam ātrumam.

• Ņemiet vērā, ka konstants ātrums nav tas pats, kas ātrums 0. Piemēram, objektam, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu 2 m / s, uz to noteikti nav iedarbības spēka.

Iespējams, esat dzirdējuši par spēku, ko sauc par centripetālo spēku. Tas netika uzskaitīts kopā ar citiem spēkiem iepriekšējā sadaļā, jo tas faktiski ir tīkla spēka veids. Tas ir tīrais spēks radiālajā virzienā jebkuram objektam, kuram notiek apļveida kustība.

Apļveida kustība, pat nemainīgā ātrumā, nav nemainīga ātruma kustība, jo tā neuztur taisnas līnijas ceļu. Lai izraisītu apļveida kustības, ir jādarbojas kādai spēku kombinācijai. Centrālais spēks ir radiālais tīkla spēks, kas izraisa šāda veida kustību.

• Nejauciet centrbēdzes spēku ar centrbēdzes spēku. Pēdējais faktiski tiek uzskatīts par pseido spēku. Šķiet, ka tas ir spēks, kas iedarbojas uz objektu, kuram notiek apļveida kustība. Piemēram, atrodoties automašīnā, kas pagriežas pagriezienā, jūs varat justies kā nospiests pret automašīnas sāniem, bet patiesībā notiek tas, ka spēks jūs ievelk a izliekts ceļš.

Daži spēki, šķiet, rīkojas noslēpumaini bez kontakta. Viens jums pazīstams piemērs ir gravitācijas spēks. Kad objekts tiek nomests, zeme velk šo objektu pret to, pat nepieskaroties tam.

Viens matemātisks rīks, ko fiziķi izstrādāja, lai aprakstītu šo parādību, ir lauka jēdziens. (Jā, “spēka lauks”, bet ne tāds, kas pasargā jūs no fotonu torpēdām!)

Gravitācijas lauks ir katram kosmosa punktam piešķirts vektors, kas norāda relatīvo lielumu un gravitācijas spēka virziens šajā vietā neatkarīgi no tā, kāds objekts tajā var piedzīvot spēku atrašanās vieta. Gravitācijas lauka vērtība jebkurā brīdī vienkārši būtu gravitācijas spēks, ko izjustu masamtajā vietā, bet dalīts arm​.

Šis spēka lauka jēdziens ļauj izskaidrot šos “noslēpumainos” spēkus, kuri, šķiet, darbojas neko nepieskaroties, aprakstot spēku, kas rodas objekta mijiedarbībā ar laukā.

Tāpat kā gravitācijas lauki, jums var būt arī elektriskais lauks vai magnētiskais lauks, kas raksturo relatīvais spēks uz lādiņa vienību vai (spēks uz magnētiskā momenta vienību), ko objekts izjūt kādā konkrētā atrašanās vieta.