Hva er styrker? (Fysikk)

Selv om du sannsynligvis er kjent med ordet "kraft" og har hørt det brukes i daglige samtaler ("Jeg hadde ikke noe valg - han tvang meg til å gjøre det!"), Kjenner du fysikkdefinisjonen av kraft?

I denne artikkelen lærer du ikke bare hva en kraft egentlig er, men hvor ideen kom fra og hvordan den brukes i fysikk.

For å komme i riktig fysikkinnstilling for å forstå krefter, husk hva du vet om bevegelse. Du kan beskrive et objekts posisjon (plassering i rommet), og du kan beskrive hvordan denne posisjonen endres i tid; hastigheten på endring av posisjon per tidsenhet erhastighet. Du kan også beskrive hvordan hastigheten endres - hastigheten på hastighetsendring per tidsenhet kallesakselerasjon​.

Disse fysiske størrelsene - posisjon, hastighet og akselerasjon - er alle vektormengder, noe som betyr at de har størrelse og retning knyttet til seg.

Hvis en gjenstand er i ro, for eksempel en stein som sitter på et fortau, er du sannsynligvis ganske trygg på at den vil bli der til noe får den til å bevege seg. Enten noen som går langs fortauet sparker den, eller kanskje er fjellet lett nok til å bli presset av en sterk vind. Når dette skjer, endres bevegelsen. Den fysiske størrelsen som forårsaker denne endringen, er, som vi vil lære, en kraft.

Du har sannsynligvis også en viss følelse av at visse gjenstander er vanskeligere å flytte enn andre. Se for deg en liten rullestein sammenlignet med en tung steinblokk. Du må sparke steinen mye hardere for å få den til å bevege seg. På samme måte, hvis to gjenstander - en lett og en tung - allerede var i bevegelse, er det mye vanskeligere å få det tyngre til å stoppe.

Denne motstanden til et objekt mot eventuelle endringer i bevegelsen kalles dens treghet. Hvor mye kraft som kreves for å vedta en viss endring, vil være relatert til masse, som er et mål på treghet.

Ideen om en styrke har eksistert lenge, men den ble ikke forstått i stor grad på grunn av feiltolkninger av friksjon.

Aristoteles foreslo at alle gjenstander har en naturlig tilstand de vil hvile i, og at de vil gjøre det med mindre en styrke virker. Han brukte denne oppfatningen for å forklare hvorfor gjenstander faller til jorden, eller sakte til et stopp etter å ha blitt presset.

Galileo tilbakeviste imidlertid denne ideen og forklarte eksistensen av en stoppestyrke kalt friksjon. Han bestemte at gjenstander ville fortsette å bevege seg i rette stier hvis det ikke var noen friksjon for å bremse dem ned.

Sir Isaac Newton ga en større formalisering til Galileos observasjoner med sine berømte tre bevegelseslover. Han var i stand til å beskrive hva krefter gjør, hvordan de virker og til og med tilskrive tall med enheter til konseptet.

Newtons første bevegelseslov - noen ganger kalt treghetsloven - sier at et objekt i ro forblir i en hviletilstand med mindre en ubalansert kraft virker på det. Denne delen er ganske intuitiv når du tenker tilbake på å sparke fjellet på fortauet. Videre sier denne loven at ethvert objekt som gjennomgår konstant hastighetsbevegelse (bevegelse med konstant hastighet i en rett linje) vil fortsette å gjøre det med mindre det påvirkes av en netto ytre kraft.

Den andre delen av den første loven er mindre intuitiv fordi gjenstander ikke har en tendens til å bevege seg for alltid i våre daglige samspill. Men det er fordi de blir handlet av en motstandskraft som kalles friksjon.

Newtons andre bevegelseslov sier at nettokraften på et objekt (som er vektorsummen av alle krefter som virker) er lik produktet av objektets masse og akselerasjon. Med andre ord:

Newtons andre bevegelseslov var i stand til å forklare hvorfor det er at du må presse hardere på tunge gjenstander enn du gjør på lettere gjenstander for å få dem til å endre bevegelsen. Det har også formelt knyttet styrke til den fysiske mengden av akselerasjon, som er endringen i objektets bevegelse.

Newtons tredje bevegelseslov forklarte videre hvordan krefter kommer i par. Den sier at hvis objekt A bruker kraft på objekt B, bruker objekt B kraft til objekt A som er lik i størrelse og i motsatt retning av kraften på objekt B.

Newtons tredje lov forklarer hvorfor våpen trekker seg tilbake når de blir skutt, og hvorfor, hvis du står på et skateboard og skyver mot en vegg, ender du med å rulle bakover.

En kraft kan betraktes som et trykk eller et trekk. Hvis bare en enkelt kraft virker på et objekt, vil den ene kraften føre til at objektets bevegelse endres i omvendt forhold til massen.

Kraft er en vektormengde, noe som betyr at den har størrelse og retning. Retningen til en nettokraft er alltid den samme som retningen for akselerasjonen eller endringen av bevegelse (som kan være motsatt bevegelsesretningen i slike situasjoner hvor et objekt bremser ned.)

SI-kraftenheten er newtonen der 1 N = 1 kgm / s². CGS-enheten er fargen der 1 dyne = 1gcm / s².

Du vet allerede at du selv kan utøve en kraft på en gjenstand ved å skyve den eller trekke den. Dette blir referert til som en kontaktstyrke fordi den krever kontakt. Men det er mange andre typer krefter også.

En liste over noen vanlige krefter du møter når du studerer fysikk inkluderer følgende:

• ​Tyngdekraft:De tyngdekraften på et objekt kan observeres under fritt fallbevegelse, der et objekt akselererer mot bakken. Men gravitasjonskraften er også det som holder planetene i bane, og det som hindrer deg i å fly ut i verdensrommet.
• ​Normal kraft:Dette er en støttekraft som virker vinkelrett på en overflate og er det som forhindrer at gjenstander faller gjennom gulvet eller en bordplate.
• ​Elektromagnetisk kraft:Dette refererer samlet til magnetiske krefter og elektrostatiske krefter. Disse kreftene er resultatet av ladning eller bevegelig ladning. Det er grunnen til at elektroner frastøter hverandre og magneter henger sammen.
• ​Friksjonskrefter:De friksjonskraft er en kraft som motarbeider bevegelsen til et objekt. Det er grunnen til at det er vanskeligere å skyve en bok over bordet enn å skyve en bok over et isark. Friksjonskraften varierer avhengig av overflatene som er i kontakt med hverandre.
• ​Luftmotstand:Denne kraften ligner på friksjon. Det skyldes at selve luften motarbeider bevegelsen til gjenstander som faller gjennom den. Hvis en gjenstand faller lenge nok, vil luftmotstandskraften føre til at den oppnår sin endelige hastighet.
• ​Spenningskraft:Dette er en type kraft som overføres langs en streng, ledning eller noe lignende.
• ​Andre grunnleggende krefter:Det er fire grunnleggende naturkrefter. To er tyngdekraften og elektromagnetismen, som allerede var oppført, og de to andre er den svake atomkraften og den sterke kjernekraften. Disse to siste påvirker vanligvis bare ting på en subatomær skala, og det er grunnen til at du kanskje aldri har hørt om dem.

Newtons andre lov nevnte a nettokraft. Nettokraften på et objekt er vektorsummen av alle krefter som virker på et objekt.

For eksempel kan du ha to personer som skyver på en blokk i motsatt retning med like krefter. Men nettokraften ender med å bli 0, noe som betyr at blokken ikke beveger seg fordi de to kreftene avbryter hverandre.

Gratis kroppsdiagrammer er skisser du kan tegne som angir størrelsen og retningen til hver kraftvektor på et objekt med en pil med proporsjonal lengde som peker i retning av kraften. Når du løser fysikkproblemer som involverer krefter, vil du sannsynligvis tegne mange av disse diagrammene fordi det hjelper med å visualisere hvilke krefter som virker og gjør det tydeligere hvordan du legger sammen kreftene for å få nettet makt.

Hvis det ikke er nettokraft på et objekt, betyr dette, via Newtons andre lov, at akselerasjonen til objektet er 0. Med andre ord må objektet ha en konstant hastighet.

• Merk at konstant hastighet ikke er den samme som 0 hastighet. Et objekt som for eksempel beveger seg konstant 2 m / s, har nødvendigvis ingen nettokraft som virker på det.

Du har kanskje hørt om en styrke som kalles sentripetalkraften. Dette ble ikke oppført med de andre kreftene i forrige avsnitt fordi det faktisk er en type nettokraft. Det er nettokraften i radiell retning for ethvert objekt som gjennomgår sirkelbevegelse.

Sirkulær bevegelse, selv med konstant hastighet, er ikke konstant hastighetsbevegelse fordi den ikke opprettholder en rett linje. En eller annen kombinasjon av krefter må virke for å forårsake sirkelbevegelse. Den sentripetale kraften er den radiale nettokraften som forårsaker denne typen bevegelse.

• Ikke forveksle sentripetal kraft med sentrifugalkraft. Sistnevnte betraktes faktisk som en pseudokraft. Det er kraften som ser ut til å virke på et objekt som gjennomgår sirkelbevegelse. For eksempel når du er i en bil som svinger om hjørnet, kan du føle at du blir presset mot siden av bilen, men det som faktisk skjer er at en kraft trekker deg inn i en buet sti.

Visse krefter ser ut til å handle mystisk uten kontakt. Et eksempel du er kjent med er tyngdekraften. Når en gjenstand blir droppet, trekker jorden den gjenstanden mot den uten å berøre den.

Et matematisk verktøy som fysikere utviklet for å beskrive dette fenomenet, er forestillingen om et felt. (Ja, et “kraftfelt”, men ikke den typen som beskytter deg mot foton-torpedoer!)

Et gravitasjonsfelt er tildelingen til hvert punkt i rommet en vektor som indikerer den relative størrelsen og retning av gravitasjonskraften på det stedet uavhengig av hvilket objekt som kan oppleve en kraft på det plassering. Verdien av gravitasjonsfeltet på et gitt punkt ville ganske enkelt være gravitasjonskraften som ville føles av en massempå det stedet, men delt påm​.

Denne forestillingen om et kraftfelt tillater en forklaring på disse "mystiske" kreftene som ser ut til å virke uten å berøre noe, ved å beskrive kraften som et resultat av et objekt som samhandler med felt.

Akkurat som gravitasjonsfelt, kan du også ha et elektrisk felt eller et magnetfelt som beskriver relativ kraft per enhetsladning eller (kraft per enhet magnetisk moment) som en gjenstand vil føle i noe bestemt plassering.