Ce sunt Forțele? (Fizică)

Deși probabil sunteți familiarizați cu cuvântul „forță” și l-ați auzit folosind în conversațiile de zi cu zi („Nu am avut de ales - m-a forțat să o fac!”), Știți definiția fizică a forței?

În acest articol veți afla nu numai ce este cu adevărat o forță, ci și de unde a venit ideea și cum este folosită în fizică.

Pentru a obține mentalitatea fizică potrivită pentru înțelegerea forțelor, amintește-ți despre ceea ce știi mişcare. Puteți descrie poziția unui obiect (locația în spațiu) și puteți descrie modul în care această poziție se schimbă în timp; rata de schimbare a poziției pe unitate de timp esteviteză. De asemenea, puteți descrie cum se schimbă viteza respectivă - se numește rata de schimbare a vitezei pe unitate de timpaccelerare​.

Aceste mărimi fizice - poziția, viteza și accelerația - sunt toate cantități vectoriale, adică au magnitudine și direcție asociate cu ele.

Dacă un obiect este odihnit, cum ar fi o piatră așezată pe un trotuar, probabil că sunteți destul de încrezător că va rămâne acolo până când ceva îl face să se miște. Fie cineva care merge de-a lungul trotuarului o lovește, fie poate stânca este suficient de ușoară pentru a fi împinsă de un vânt puternic. Când se întâmplă acest lucru, mișcarea sa se schimbă. Cantitatea fizică care provoacă această schimbare, așa cum vom învăța, este o forță.

Probabil aveți și un anumit sentiment că anumite obiecte sunt mai greu de mișcat decât altele. Imaginați-vă o pietricică mică în comparație cu un bolovan greu. Ar trebui să lovești mult mai tare bolovanul pentru a-l face să se miște. În mod similar, dacă două obiecte - unul ușor și unul greu - se mișcau deja, este mult mai dificil să-l oprești pe cel mai greu.

Această rezistență a unui obiect la orice schimbare a mișcării sale se numește a sa inerţie. Câtă forță este necesară pentru a promova o anumită schimbare se va raporta la masă, care este o măsură de inerție.

Ideea unei forțe a existat de mult timp, dar nu a fost bine înțeleasă în mare parte din cauza interpretărilor greșite ale fricțiunii.

Aristotel a propus ca toate obiectele să aibă o stare naturală în care vor să se odihnească și că vor face acest lucru dacă nu acționează o forță. El a folosit această noțiune pentru a explica de ce obiectele cad pe pământ sau încetinesc până la oprire după ce au fost împinse.

Cu toate acestea, Galileo a respins această idee și a explicat existența unei forțe de oprire numită frecare. El a stabilit că obiectele se vor mișca în continuare pe căi drepte dacă nu există frecare care să le încetinească.

Sir Isaac Newton a dat o formalizare mai mare observațiilor lui Galileo cu celebrul său trei legi ale mișcării. El a fost capabil să descrie ce fac forțele, cum acționează acestea și chiar să atribuie numere cu unități conceptului.

Prima lege a mișcării lui Newton - numită uneori legea inerției - afirmă că un obiect în repaus rămâne într-o stare de repaus, cu excepția cazului în care o forță dezechilibrată acționează asupra lui. Această parte este destul de intuitivă atunci când vă gândiți la lovirea stâncii pe trotuar. Mai mult, această lege afirmă că orice obiect care suferă o mișcare de viteză constantă (mișcare la o viteză constantă pe o linie dreaptă) va continua să facă acest lucru dacă nu este acționat de o forță externă netă.

A doua parte a primei legi este mai puțin intuitivă, deoarece în interacțiunile noastre de zi cu zi, obiectele nu tind să se miște în permanență. Dar asta pentru că sunt acționați de o forță rezistivă numită fricțiune.

A doua lege a mișcării lui Newton afirmă că forța netă asupra unui obiect (care este suma vectorială a tuturor forțelor care acționează) este egală cu produsul masa și accelerație. Cu alte cuvinte:

A doua lege a mișcării lui Newton a fost în măsură să explice de ce trebuie să împingi mai tare asupra obiectelor grele decât pe obiectele mai ușoare pentru a-i determina să-și schimbe mișcarea. De asemenea, a legat forța în mod formal de cantitatea fizică de accelerație, care este schimbarea mișcării obiectului.

A treia lege a mișcării lui Newton a explicat în continuare modul în care forțele vin în perechi. Se afirmă că dacă obiectul A aplică forță obiectului B, atunci obiectul B aplică forță obiectului A care este egală în mărime și în direcția opusă forței asupra obiectului B.

A treia lege a lui Newton explică de ce armele reculează atunci când sunt împușcate și de ce, dacă stai pe un skateboard și împingi un perete, ajungi să te rostogolești înapoi.

O forță poate fi gândită ca o împingere sau o tragere. Dacă doar o singură forță acționează asupra unui obiect, acea forță unică va determina mișcarea obiectului să se schimbe în proporție inversă cu masa sa.

Forța este o mărime vectorială, ceea ce înseamnă că are magnitudine și direcție. Direcția unei forțe nete este întotdeauna aceeași cu direcția accelerației sau schimbării mișcare (care poate fi opusă direcției mișcării în astfel de situații în care un obiect încetinește jos.)

Unitatea de forță a SI este newtonul în care 1 N = 1 kgm / s². Unitatea CGS este dyna în care 1 dyne = 1gcm / s².

Știți deja că puteți exercita singuri o forță asupra unui obiect împingându-l sau trăgându-l. Aceasta este denumită forță de contact, deoarece necesită contact. Dar există și multe alte tipuri de forțe.

O listă cu câteva forțe comune pe care le întâlniți atunci când studiați fizica includ următoarele:

• ​Forta gravitationala: forta gravitatiei pe un obiect poate fi observat în timpul mișcării de cădere liberă, în care un obiect accelerează spre sol. Dar forța gravitațională este, de asemenea, ceea ce menține planetele pe orbită și ceea ce te împiedică să zboare în spațiu.
• ​Forta normala:Aceasta este o forță de susținere care acționează perpendicular pe o suprafață și care împiedică căderea obiectelor prin podea sau pe blatul mesei.
• ​Forța electromagnetică:Aceasta se referă în mod colectiv la forțe magnetice și forțe electrostatice. Aceste tipuri de forțe sunt rezultatul sarcinii sau al sarcinii în mișcare. Acesta este motivul pentru care electronii se resping reciproc și magneții se lipesc împreună.
• ​Forțe de frecare: forța de frecare este o forță care se opune mișcării unui obiect. Motivul pentru care este mai dificil să glisezi o carte peste masă decât să glisezi o carte pe o foaie de gheață. Forța de frecare variază în funcție de suprafețele care sunt în contact una cu cealaltă.
• ​Rezistenta aerului:Această forță este similară cu fricțiunea. Rezultă din aerul însuși care se opune mișcării obiectelor care cad prin el. Dacă un obiect cade suficient de mult, forța rezistenței aerului îl va determina să-și atingă viteza maximă.
• ​Forța de tensiune:Acesta este un tip de forță care este transferat de-a lungul unui șir, sârmă sau ceva similar.
• ​Alte forțe fundamentale:Există patru forțe fundamentale ale naturii. Două sunt gravitația și electromagnetismul, care erau deja enumerate, iar celelalte două sunt forța nucleară slabă și forța nucleară puternică. Aceste două ultime afectează de obicei lucrurile doar la o scară subatomică, motiv pentru care este posibil să nu fi auzit niciodată de ele.

A doua lege a lui Newton a menționat o forta neta. Forța netă asupra unui obiect este suma vectorială a tuturor forțelor care acționează asupra unui obiect.

De exemplu, puteți avea două persoane care împing un bloc în direcții opuse cu forțe egale. Dar forța netă ajunge să fie 0, ceea ce înseamnă că blocul nu se mișcă, deoarece acele două forțe se anulează reciproc.

Diagramele corpului liber sunt schițe pe care le puteți desena indicând magnitudinea și direcția fiecărui vector de forță pe un obiect cu o săgeată de lungime proporțională îndreptată în direcția forței. Când rezolvați probleme de fizică care implică forțe, probabil că veți schița o mulțime de diagrame, deoarece aceasta vă ajută să vizualizați ce forțe acționează și face mai clar cum să adăugați forțele împreună pentru a obține rețeaua forta.

Dacă nu există o forță netă asupra unui obiect, aceasta înseamnă, prin a doua lege a lui Newton, că accelerația obiectului este 0. Cu alte cuvinte, obiectul trebuie să aibă o viteză constantă.

• Rețineți că viteza constantă nu este aceeași cu viteza 0. Un obiect care se mișcă la o constantă de 2 m / s, de exemplu, nu are neapărat nicio forță netă care acționează asupra lui.

Este posibil să fi auzit de o forță numită forță centripetă. Acest lucru nu a fost enumerat cu celelalte forțe din secțiunea anterioară, deoarece este de fapt un tip de forță netă. Este forța netă în direcția radială pentru orice obiect supus mișcării circulare.

Mișcarea circulară, chiar și la o viteză constantă, nu este o mișcare a vitezei constante, deoarece nu menține o linie dreaptă. O anumită combinație de forțe trebuie să acționeze pentru a provoca mișcare circulară. Forța centripetă este forța netă radială care determină acest tip de mișcare.

• Nu confundați forța centripetă cu forța centrifugă. Aceasta din urmă este considerată de fapt o pseudo-forță. Este forța care pare să acționeze asupra unui obiect care suferă mișcare circulară. De exemplu, când vă aflați într-o mașină care face viraj, puteți simți că sunteți apăsat împotriva părții laterale a mașinii, dar ceea ce se întâmplă de fapt este că o forță te trage într-o cale curbată.

Anumite forțe par să acționeze misterios fără contact. Un exemplu pe care îl cunoașteți este forța gravitațională. Când un obiect este scăpat, pământul trage acel obiect spre el fără să-l atingă.

Un instrument matematic dezvoltat de fizicieni pentru a descrie acest fenomen este noțiunea de câmp. (Da, un „câmp de forță”, dar nu de genul care te protejează de torpile cu fotoni!)

Un câmp gravitațional este atribuirea, la fiecare punct din spațiu, a unui vector care indică magnitudinea relativă și direcția forței gravitaționale în acea locație, independent de ce obiect poate experimenta o forță la acea Locație. Valoarea câmpului gravitațional în orice punct dat ar fi pur și simplu forța gravitațională care ar fi resimțită de o masămîn acea locație, dar împărțit lam​.

Această noțiune de câmp de forță permite o explicație a acestor forțe „misterioase” care par să acționeze fără a atinge nimic, prin descrierea forței ca rezultând dintr-un obiect care interacționează cu camp.

La fel ca și câmpurile gravitaționale, puteți avea și un câmp electric sau un câmp magnetic care descrie forța relativă pe unitate de încărcare sau (forța pe unitate de moment magnetic) pe care un obiect ar simți-o într-un anumit anume Locație.