Słowo siła pojawia się praktycznie w każdym możliwym aspekcie życia codziennego, od sportu przez pogodę po konflikty zbrojne. Ale zasadniczo siła jest pojęciem zakorzenionym w fizyce, gdzie ma bardzo konkretne i krytyczne znaczenie. Standardową jednostką siły jest niuton (N), równy kg ⋅ m/s2.
Siła jest jedną z dwóch wielkości fizycznych, które wpływają na ruch obiektu, drugą jest masa. Opis ruchu obiektów w przestrzeni nazywa się kinematyka, który uwzględnia pozycję, prędkość i przyspieszenie; uwzględnienie siły i masy w badaniu ruchu wprowadza pojęcie dynamika.
Prawa dynamiki Newtona
Przed zapoznaniem się z określonymi siłami i sposobami wykonywania obliczeń uwzględniających tę wielkość, warto zapoznać się z trzema podstawowymi prawami ruchu opracowanymi przez Izaaka Newtona:
1. Każdy obiekt w stanie ciągłego ruchu (w tym spoczynku) pozostanie w tym stanie, o ile nie zadziała siła zewnętrzna.
2. Siła jest iloczynem masy i przyspieszenia.
3. Dla każdej siły istnieje siła o przeciwnym kierunku i o równej wielkości.
Drugie prawo Newtona jest jedną z najbardziej interesujących, jeśli chcesz obliczyć siłę lub określić masę lub przyspieszenie, jeśli masz informacje o sile i jednej z pozostałych dwóch wielkości. Przyspieszenie to zmiana prędkości.
Przykłady sił
Możesz myśleć o sile jako o czymś, co popycha lub ciągnie; chociaż jest to pomocne jako metafora, nie pomaga to zbytnio w zrozumieniu rzeczywistego świata. Zamiast tego lista pokazująca zakres sił naturalnych jest lepszym narzędziem do zapoznania się z siłami, których będziesz używać w obliczeniach fizycznych.
Waga to tajemnicza siła działająca na wszystkie obiekty o masie i wynikająca z grawitacji, która na powierzchni Ziemi ma wartość 9,8 metra na sekundę do kwadratu (9,8 m/s2). Napięcie, elastyczność, tarcie i tzw normalna siła są siłami, które działają na ciała stałe; wyporność, siła nośna, ciąg i opór są siłami jednoznacznie związanymi z płynami (cieczami i gazami).
elektrostatyczny i magnetyczny siły są związane z naładowanymi cząstkami. Również natura obejmuje cztery podstawowe siły które dają początek wszystkim innym siłom. Jednym z nich jest grawitacja, która jest zdecydowanie najsłabszą podstawową siłą; inni są elektromagnetyzm i silny i słaby jądrowy oddziaływania w atomach.
Równanie siły
Standardowa postać wzoru na siłę w fizyce mówi, że siła zewnętrzna netto na obiekcie jest iloczynem jego masy i przyspieszenia:
\textbf{F} = m\textbf{a}
Tutaj siła i przyspieszenie są wielkości wektorowe, co oznacza, że mają zarówno wartość (wielkość reprezentowaną przez liczbę), jak i skojarzony z nimi kierunek w przestrzeni. Msza jest ilość skalarna, co oznacza, że jest w pełni opisany w kategoriach jego wielkości.
Przykład obliczania siły
Kompaktowy samochód o masie 1000 kg przyspiesza na północ z prędkością 5 m/s2. Jaka jest siła wytworzona przez to przyspieszenie?
F = (1000 kg)(5 m/s2) = 5000 N.
Samochód w końcu osiąga prędkość 40 m/s (około 90 mil na godzinę) i obniża się przy tej prędkości. Jaka jest teraz siła zewnętrzna na samochód?
To jest podchwytliwe pytanie. Podczas gdy pędzący samochód ma duży rozpęd, jeśli samochód nie doświadcza przyspieszenia, obie strony siły równania są równe zeru i nie ma żadnej zewnętrznej siły wypadkowej działającej na układ, w tym przypadku składającej się wyłącznie z samochód. Wielkość fizyczna najbardziej interesująca tutaj, pęd, jest iloczynem masy i prędkości v (porównaj to z równaniem siły).