Siła ma określone znaczenie w fizyce i – w przeciwieństwie do filmów – nie ma nic wspólnego z harmonią wszechświata. W fizyce siła to pchanie lub ciągnięcie wynikające z interakcji między dwoma obiektami. Siła może wynikać z bezpośredniego kontaktu, na przykład dziecka pchającego wózek, lub z działania na odległość, takiego jak przyciąganie grawitacyjne, jakie Ziemia wywiera na Księżyc. W ramach tych dwóch szerokich kategorii można zidentyfikować co najmniej 10 różnych sił, które pomagają kształtować wszechświat i warunkować nasze doświadczenia w nim.
Siły kontaktowe
Kiedy formułował swoje prawa ruchu, sir Isaac Newton bez wątpienia wyobrażał sobie siły kontaktowe jako swoje podstawowe przykłady. Są to siły, które wynikają z bezpośredniej fizycznej interakcji między dwoma obiektami. Zgodnie z drugim prawem Newtona:
F=ma
siła o wielkości F wytwarza przyspieszenie „a” po przyłożeniu do obiektu o masie „m”.
Zastosowana siła– To najłatwiejszy do zrozumienia rodzaj siły. Pchaj obiekt, a obiekt odpycha się, mówi pierwsze prawo Newtona, aż wielkość siły pokona bezwładność obiektu. W tym momencie obiekt zaczyna się poruszać i przy braku innych sił przyspiesza o wielkość proporcjonalną do wielkości jego masy i przyłożonej siły.
Normalna siła– Siła jest wielkością wektorową, co oznacza, że jej wielkość zależy od kierunku. W każdej interakcji między dwoma obiektami siła normalna to siła prostopadła do powierzchni styku między oddziałującymi obiektami. Normalna siła nie zawsze powoduje ruch. Na przykład stół wywiera normalną siłę na książkę, aby pokonać siłę grawitacji i zapobiec upadkowi książki.
Siła tarcia– Siła tarcia zwykle stawia opór ruchowi. Wynika to z faktu, że powierzchnie w prawdziwym świecie nie są idealnie gładkie. Wielkość siły tarcia wywieranej przez powierzchnię zależy od współczynnika tarcia materiału, z którego wykonana jest powierzchnia, oraz poruszającego się po niej obiektu. Siła tarcia na spoczywającym obiekcie, nazywana tarciem statycznym, różni się od siły tarcia na poruszającym się obiekcie, zwanej tarciem ślizgowym.
Opór powietrza– Obiekty poruszające się w atmosferze ziemskiej napotykają na siłę oporu wytworzoną przez tarcie generowane przez cząsteczki powietrza. Siła ta staje się silniejsza wraz ze wzrostem prędkości i zwiększaniem powierzchni prostopadłej do kierunku ruchu. To ważna ilość w przemyśle lotniczym i kosmicznym.
Siła naprężenia– Przywiąż sznurek do nieruchomego przedmiotu, pociągnij za drugi koniec, a sznurek odciąga się aż do zerwania. Siła wywierana przez strunę to siła naciągu, która jest przyłożona wzdłuż jej długości. Jest to właściwość materiału, z którego wykonany jest sznurek oraz jego średnica.
Siła sprężyny– Wielkość siły potrzebnej do ściśnięcia sprężyny zależy od materiału, z którego sprężyna jest wykonana, średnicy drutu tworzącego zwoje oraz liczby zwojów. Własności te są określane ilościowo w postaci liczby charakterystycznej dla sprężyny zwanej stałą sprężystości „k”. Siłę potrzebną do ściśnięcia sprężyny na odległość „x” podaje prawo Hooke'a:
F=kx
Działanie na odległość Siły
Podstawowe siły natury, które sprawiają, że planety wirują, a słońce i gwiazdy płoną, działają na odległość. Bez nich wszechświat, który znamy, prawdopodobnie by nie istniał, a gdyby tak było, byłby zupełnie innym miejscem.
Siła grawitacji– Powód istnienia tej siły jest dość tajemniczy, ale gdyby jej nie było, planety i gwiazdy nie mogłyby się uformować. Wielkość siły grawitacyjnej wywieranej na siebie przez obiekty zależy od mas obiektów i odwrotności kwadratu odległości między nimi. Im bardziej masywne obiekty i/lub im krótsza odległość między nimi, tym większa siła.
Siła elektromagnetyczna– Choć nie wydają się być tym samym, elektryczność i magnetyzm są ze sobą powiązane. Przepływające elektrony wytwarzają magnetyzm, a poruszający się magnes wytwarza elektryczność. Związek między tymi zjawiskami został wyjaśniony przez szkockiego fizyka Jamesa Clerka Maxwella w XIX wieku i jest określany ilościowo w jego równaniach. Elektryczność wywiera siłę poprzez przyciąganie lub odpychanie naładowanych cząstek, podczas gdy siła magnetyczna wynika z przyciągania lub odpychania powodowanego przez bieguny magnetyczne.
Potężna siła– Ponieważ wszystkie protony są naładowane dodatnio, odpychają się nawzajem i nie byłyby w stanie utworzyć jądra atomowego, gdyby nie istniała silna siła utrzymująca je razem. Silna siła jest najpotężniejszą siłą w naturze. To także ta, która wiąże kwarki, tworząc protony i neutrony.
Słaba siła– Słaba siła to kolejna fundamentalna siła jądrowa. Jest silniejszy niż grawitacja, ale działa tylko na nieskończenie małych odległościach. Przenoszone przez subatomowe wiązki energii zwane bozonami, słabe oddziaływanie powoduje, że protony zamieniają się w neutrony i odwrotnie podczas rozpadu jądrowego. Bez tej siły fuzja jądrowa byłaby niemożliwa, a gwiazdy, takie jak Słońce, nie istniałyby.