Czym są siły? (Fizyka)

Chociaż prawdopodobnie znasz słowo „siła” i słyszałeś je używane w codziennych rozmowach („nie miałem wyboru – zmusił mnie do tego!”), czy znasz definicję siły w fizyce?

W tym artykule dowiesz się nie tylko, czym tak naprawdę jest siła, ale także skąd wzięła się idea i jak jest używana w fizyce.

Aby uzyskać właściwe nastawienie fizyki do zrozumienia sił, przypomnij sobie, co wiesz o ruch. Możesz opisać pozycję obiektu (lokalizację w przestrzeni) i możesz opisać, jak ta pozycja zmienia się w czasie; tempo zmian pozycji na jednostkę czasu toprędkość. Możesz również opisać, jak zmienia się ta prędkość - nazywa się szybkość zmiany prędkości w jednostce czasuprzyśpieszenie​.

Wszystkie te wielkości fizyczne – położenie, prędkość i przyspieszenie – są wielkości wektorowe, co oznacza, że ​​są z nimi powiązane wielkości i kierunek.

Jeśli obiekt jest w spoczynku, na przykład kamień leżący na chodniku, prawdopodobnie masz pewność, że pozostanie tam, dopóki coś nie sprawi, że się poruszy. Albo ktoś idący chodnikiem ją kopie, albo skała jest na tyle lekka, że ​​popycha ją silny wiatr. Kiedy to nastąpi, jego ruch się zmienia. Wielkość fizyczna, która powoduje tę zmianę, jak się dowiemy, jest siłą.

Prawdopodobnie masz też poczucie, że niektóre przedmioty są trudniejsze do przeniesienia niż inne. Wyobraź sobie mały kamyk w porównaniu z ciężkim głazem. Musiałbyś kopnąć głaz o wiele mocniej, aby go poruszyć. Podobnie, jeśli dwa obiekty – lekki i ciężki – już się poruszały, znacznie trudniej jest zatrzymać cięższy.

Ten opór obiektu wobec wszelkich zmian w jego ruchu nazywamy jego bezwładność. To, jaka siła jest potrzebna do wprowadzenia określonej zmiany, zależy od masy, która jest miarą bezwładności.

Idea siły istnieje od dawna, ale w dużej mierze nie była dobrze rozumiana z powodu błędnej interpretacji tarcia.

Arystoteles zaproponował, że wszystkie przedmioty mają stan naturalny, w którym chcą spocząć i że będą to robić, chyba że zadziała siła. Użył tego pojęcia, aby wyjaśnić, dlaczego przedmioty spadają na ziemię lub zatrzymują się po pchnięciu.

Galileusz jednak obalił ten pomysł i wyjaśnił istnienie siły powstrzymującej zwanej tarciem. Stwierdził, że obiekty poruszałyby się po liniach prostych, gdyby nie było tarcia, które by je spowolniło.

Sir Isaac Newton nadał obszerniejszej formalizacji obserwacjom Galileusza swoją sławną… trzy prawa ruchu. Był w stanie opisać, co robią siły, jak działają, a nawet przypisać pojęciu liczby z jednostkami.

Pierwsza zasada ruchu Newtona – czasami nazywana prawem bezwładności – mówi, że obiekt w spoczynku pozostaje w stanie spoczynku, chyba że działa na niego niezrównoważona siła. Ta część jest dość intuicyjna, gdy myślisz o kopaniu kamienia na chodniku. Co więcej, prawo to stwierdza, że ​​każdy obiekt będący w ruchu ze stałą prędkością (ruch ze stałą prędkością po linii prostej) będzie to kontynuował, chyba że zadziała na niego zewnętrzna siła wypadkowa.

Ta druga część pierwszego prawa jest mniej intuicyjna, ponieważ w naszych codziennych interakcjach przedmioty nie mają tendencji do poruszania się w nieskończoność. Ale to dlatego, że działa na nie siła oporu zwana tarciem.

Druga zasada dynamiki Newtona mówi, że siła wypadkowa działająca na obiekt (która jest sumą wektorów wszystkich działających sił) jest równa iloczynowi siły masa i przyspieszenie. Innymi słowy:

Druga zasada dynamiki Newtona była w stanie wyjaśnić, dlaczego trzeba mocniej naciskać na ciężkie przedmioty niż na lżejsze, aby zmieniły one swój ruch. Formalnie powiązała również siłę z fizyczną wielkością przyspieszenia, która jest zmianą ruchu obiektu.

Trzecia zasada dynamiki Newtona wyjaśnia dalej, w jaki sposób siły występują w parach. Stwierdza, że ​​jeśli obiekt A przykłada siłę do obiektu B, to obiekt B przykłada siłę do obiektu A, która jest równa wielkości i w kierunku przeciwnym do siły działającej na obiekt B.

Trzecie prawo Newtona wyjaśnia, dlaczego broń odskakuje po strzale i dlaczego, jeśli staniesz na deskorolce i odepchniesz ścianę, przetoczysz się do tyłu.

Siłę można traktować jako pchanie lub ciągnięcie. Jeśli tylko jedna siła działa na obiekt, ta pojedyncza siła spowoduje, że ruch obiektu zmieni się odwrotnie proporcjonalnie do jego masy.

Siła jest wielkością wektorową, co oznacza, że ​​ma wielkość i kierunek. Kierunek siły wypadkowej jest zawsze taki sam jak kierunek przyspieszenia lub zmiany ruch (który może być przeciwny do kierunku ruchu w sytuacjach, gdy obiekt spowalnia) na dół.)

Jednostką siły w układzie SI jest niuton, gdzie 1 N = 1 kgm/s². Jednostką CGS jest dyna, gdzie 1 dyna = 1 gcm/s².

Wiesz już, że możesz sam wywierać siłę na przedmiot, popychając go lub ciągnąc. Nazywa się to siłą kontaktową, ponieważ wymaga kontaktu. Ale jest też wiele innych rodzajów sił.

Lista niektórych wspólnych sił, które napotykasz podczas studiowania fizyki, obejmuje:

• ​Siła grawitacji: siła grawitacji na obiekcie można zaobserwować podczas swobodnego spadania, w którym obiekt przyspiesza w kierunku ziemi. Ale siła grawitacji jest również tym, co utrzymuje planety na orbicie i nie pozwala ci odlecieć w kosmos.
• ​Normalna siła:Jest to siła wspierająca, która działa prostopadle do powierzchni i zapobiega wypadaniu przedmiotów przez podłogę lub blat stołu.
• ​Siła elektromagnetyczna:Odnosi się to łącznie do sił magnetycznych i sił elektrostatycznych. Tego typu siły są wynikiem szarży lub poruszającej się szarży. To jest powód, dla którego elektrony się odpychają, a magnesy sklejają się.
• ​Siły tarcia: siła tarcia to siła, która przeciwstawia się ruchowi obiektu. To jest powód, dla którego trudniej jest przesunąć książkę po stole niż przesunąć książkę po tafli lodu. Siła tarcia zmienia się w zależności od stykających się ze sobą powierzchni.
• ​Opór powietrza:Ta siła jest podobna do tarcia. Wynika to z tego, że samo powietrze przeciwstawia się ruchowi spadających przez nie przedmiotów. Jeśli obiekt spada wystarczająco długo, siła oporu powietrza spowoduje, że osiągnie on swoją prędkość końcową.
• ​Siła naprężenia:Jest to rodzaj siły przenoszonej wzdłuż sznurka, drutu lub czegoś podobnego.
• ​Inne siły podstawowe:Istnieją cztery podstawowe siły natury. Dwa to grawitacja i elektromagnetyzm, które zostały już wymienione, a dwa pozostałe to słaba siła jądrowa i silna siła jądrowa. Te dwa ostatnie zwykle wpływają tylko na rzeczy w skali subatomowej, dlatego być może nigdy o nich nie słyszałeś.

Drugie prawo Newtona wspomina o a siła wypadkowa. Siła wypadkowa działająca na obiekt jest sumą wektorów wszystkich sił działających na obiekt.

Na przykład, możesz mieć dwie osoby pchające klocek w przeciwnych kierunkach z równymi siłami. Ale siła wypadkowa kończy się na 0, co oznacza, że ​​blok się nie porusza, ponieważ te dwie siły znoszą się nawzajem.

Diagramy ciał swobodnych to szkice, które można narysować, wskazując wielkość i kierunek każdego wektora siły na obiekcie ze strzałką o proporcjonalnej długości wskazującą kierunek siły. Rozwiązując problemy fizyki związane z siłami, prawdopodobnie naszkicujesz wiele z tych diagramów, ponieważ: pomaga wizualizować, jakie siły działają, i wyjaśnia, jak zsumować siły, aby uzyskać siatkę siła.

Jeśli na obiekt nie działa żadna siła wypadkowa, oznacza to, zgodnie z drugim prawem Newtona, że ​​przyspieszenie obiektu wynosi 0. Innymi słowy, obiekt musi mieć stałą prędkość.

• Zauważ, że stała prędkość to nie to samo co prędkość zerowa. Na przykład obiekt poruszający się ze stałą prędkością 2 m/s z konieczności nie działa na niego żadna siła wypadkowa.

Być może słyszałeś o sile zwanej siłą dośrodkową. Nie zostało to wymienione z innymi siłami w poprzedniej sekcji, ponieważ w rzeczywistości jest to rodzaj siły netto. Jest to wypadkowa siła działająca w kierunku promieniowym na dowolny obiekt poruszający się po okręgu.

Ruch kołowy, nawet ze stałą prędkością, nie jest ruchem o stałej prędkości, ponieważ nie utrzymuje toru w linii prostej. Aby wywołać ruch okrężny, musi działać pewna kombinacja sił. Siła dośrodkowa to promieniowa siła wypadkowa, która powoduje ten rodzaj ruchu.

• Nie należy mylić siły dośrodkowej z siłą odśrodkową. Ten ostatni jest w rzeczywistości uważany za pseudosiłę. Jest to siła, która wydaje się działać na obiekt poruszający się po okręgu. Na przykład, gdy jedziesz samochodem, który skręca za zakrętem, możesz czuć się tak, jakbyś był naciskany o bok samochodu, ale tak naprawdę dzieje się tak, że siła wciąga cię w zakrzywiona ścieżka.

Pewne siły zdają się działać tajemniczo bez kontaktu. Jednym z przykładów, który znasz, jest siła grawitacji. Kiedy przedmiot zostaje upuszczony, ziemia przyciąga go do siebie, nawet go nie dotykając.

Jednym z narzędzi matematycznych opracowanych przez fizyków do opisu tego zjawiska jest pojęcie pola. (Tak, „pole siłowe”, ale nie takie, które chroni przed torpedami fotonowymi!)

Pole grawitacyjne to przypisanie do każdego punktu w przestrzeni wektora, który wskazuje względną wielkość i kierunek siły grawitacyjnej w tym miejscu, niezależnie od tego, jaki obiekt może doświadczyć w tym miejscu siły Lokalizacja. Wartość pola grawitacyjnego w dowolnym punkcie byłaby po prostu siłą grawitacyjną odczuwaną przez masęmw tej lokalizacji, ale podzielone przezm​.

To pojęcie pola siłowego pozwala na wyjaśnienie tych „tajemniczych” sił, które zdają się działać bez dotykania czegokolwiek, opisując siłę jako wynikającą z interakcji obiektu z pole.

Podobnie jak pola grawitacyjne, możesz również mieć pole elektryczne lub pole magnetyczne, które opisują względna siła na jednostkę ładunku lub (siła na jednostkę momentu magnetycznego), którą obiekt odczuwałby w konkretnym przypadku Lokalizacja.