Você sem dúvida já ouviu a palavra "força" usada em todos os tipos de formas, a maioria delas mal definidas ("campo de força", "força de um campo magnético") ou não relacionado à ciência física ("jogo de força", "luta força.")
Uma força na física é qualquer coisa que atua para acelerar algo com massa. Existem várias equações que relacionam a força a outras quantidades, como trabalho, pressão e energia, mas a mais básica éF = ma, que afirma que uma massamexperimenta uma aceleraçãoumaquando submetido a uma rede de forçaF, agindo em uma direção especificada com uma magnitude especificada.
Como conhecer os valores específicos das forças é essencial na engenharia e em outras indústrias em todo o mundo, os instrumentos para a determinação precisa da força são fáceis de obter.
Unidades de Força
A unidade SI (métrica) de força é o newton (N), enquanto as unidades SI de massa e aceleração são quilogramas (kg) e metros por segundo ao quadrado (m / s2). Assim, o N é uma unidade derivada e se traduz em kg m / s2.
Como qualquer campo gravitacional tende a acelerar todas as massas ao seu alcance, o resultado é o que os humanos chamam de peso em termos cotidianos. Assim, uma escala doméstica ou de clube de saúde é uma espécie de medidor de força, porque enquantomonitoressua massa em quilogramas (ou seu peso equivalente em libras), na verdademedidasseu peso como resultado da gravidade, na Terra igual a 9,81 m / s2.
Lei de Hooke
A maioria dos medidores de força que você provavelmente encontrará tira vantagem de um princípio chamado lei de Hooke, em homenagem a Robert Hooke, cujo trabalho em 1600 abrangia física, química, biologia e virtualmente todos os outros campos de investigação durante este tempo de rápida evolução científica progresso.
A lei afirma que a força necessária para esticar um material elástico (como uma mola) a uma determinada distância é proporcional à distância em que a mola é esticada a partir de seu ponto de equilíbrio:
O sinal negativo implica que a forçaopõe-seo trecho, sendo igual em magnitude, mas precisamente oposto em distância.
Aplicações da Lei de Hooke além do medidor de força
A lei de Hooke foi aplicada em todos os campos da engenharia e construção que você pode nomear ou mesmo imaginar. Nos primórdios da fabricação de relógios, as molas eram essenciais para garantir um funcionamento preciso, já que a cronometragem nos séculos 17 e 18 ainda não era uma questão de sincronização GPS.
A lei de Hooke foi invocada na fabricação de manômetros (medidores de pressão), equipamentos no mundo da acústica e sismicidade e, à medida que o século 21 avança, também em aplicações de nanotecnologia. Mas sua utilidade em um medidor de força simples é talvez a maneira mais fácil de explicá-lo até hoje.
Medidor de força: o medidor de mola
A lei de Hooke pode ser aplicada a uma mola em uma superfície horizontal, de modo que a força exercida sobre o objeto pela gravidade seja equilibrada pela força para cima da superfície (a força normal). Se a força necessária para esticar a mola 1,5 m for 300 N, você pode calcularkna lei de Hooke, oPrimavera constante:
F = -kx \ implica 300 \ texto {N} = k (1,5 \ texto {m}) \ implica k = 200 \ texto {N / m}
UMAmedidor de forçaé, em vez disso, uma construção vertical e tem uma mola que é calibrada de forma que uma massa sujeita a A gravidade da Terra moverá a mola para baixo de sua posição de repouso (equilíbrio) por um conhecido, fixo resultar. Assim, uma massa de 10 kg é conhecida por ter um peso de (1 kg) (9,81 m / s2) = 98,1 N, e o medidor de força pode ser rotulado de acordo com este princípio.
Observe que para esticar uma mola ou qualquer objeto elástico duas vezes a distância em que já foi esticado, duas vezes a força deve ser aplicada e assim por diante, conforme ditado pela lei de Hooke. Na realidade, nenhum material é perfeitamente elástico e todas as molas se quebram, seja por "desgaste" ou quebrando traumaticamente sob tensão ou tensão suficiente.