Что такое силы? (Физика)

Вы, вероятно, знакомы со словом «сила» и слышали, как оно используется в повседневных разговорах («У меня не было выбора - он заставил меня сделать это!»), Но знаете ли вы определение силы в физике?

Из этой статьи вы узнаете не только, что такое сила на самом деле, но и откуда взялась эта идея и как она используется в физике.

Чтобы сформировать правильное физическое мышление для понимания сил, вспомните, что вы знаете о движение. Вы можете описать положение объекта (положение в пространстве), и вы можете описать, как это положение изменяется во времени; скорость изменения позиции в единицу времени - этоскорость. Вы также можете описать, как изменяется эта скорость - скорость изменения скорости в единицу времени называетсяускорение​.

Эти физические величины - положение, скорость и ускорение - все векторные величины, что означает, что с ними связаны величина и направление.

Если объект находится в покое, например, камень на тротуаре, вы, вероятно, вполне уверены, что он будет оставаться там, пока что-то не заставит его двигаться. Либо кто-то, идущий по тротуару, пинает его ногой, либо, возможно, камень достаточно легкий, чтобы его толкнул сильный ветер. Когда это происходит, его движение меняется. Физическая величина, вызывающая это изменение, как мы узнаем, - это сила.

Вы, вероятно, также чувствуете, что одни объекты перемещать труднее, чем другие. Представьте себе небольшой камешек по сравнению с тяжелым валуном. Вам нужно будет сильнее ударить по валуну, чтобы он сдвинулся с места. Точно так же, если два объекта - легкий и тяжелый - уже двигались, гораздо сложнее сделать более тяжелую остановку.

Это сопротивление объекта любым изменениям в его движении называется его сопротивлением. инерция. Сколько силы требуется, чтобы вызвать определенное изменение, будет зависеть от массы, которая является мерой инерции.

Идея силы существует уже давно, но в значительной степени ее не понимали должным образом из-за неправильного толкования трения.

Аристотель предположил, что все объекты имеют естественное состояние, в котором они хотят покоиться, и что они будут делать это, если не действует сила. Он использовал это понятие, чтобы объяснить, почему объекты падают на землю или медленно останавливаются после того, как их толкнули.

Галилей, однако, опроверг эту идею и объяснил существование тормозящей силы, называемой трением. Он определил, что объекты продолжали бы двигаться по прямолинейным траекториям, если бы не было трения, замедляющего их.

Сэр Исаак Ньютон дал более широкую формализацию наблюдениям Галилея в своей знаменитой три закона движения. Он смог описать, какие силы действуют, как они действуют, и даже приписал концепции числа с единицами.

Первый закон движения Ньютона - иногда называемый законом инерции - гласит, что покоящийся объект остается в состоянии покоя, если на него не действует неуравновешенная сила. Эта часть довольно интуитивно понятна, если вспомнить, как пнуть камень на тротуаре. Кроме того, этот закон гласит, что любой объект, совершающий движение с постоянной скоростью (движение с постоянной скоростью по прямолинейному пути), будет продолжать делать это, если на него не действует чистая внешняя сила.

Вторая часть первого закона менее интуитивна, потому что в наших повседневных взаимодействиях объекты не имеют тенденции двигаться вечно. Но это потому, что на них действует сила сопротивления, называемая трением.

Второй закон движения Ньютона гласит, что результирующая сила, действующая на объект (которая представляет собой векторную сумму всех действующих сил), равна произведению силы объекта. масса и ускорение. Другими словами:

Второй закон движения Ньютона смог объяснить, почему тяжелые объекты приходится толкать сильнее, чем более легкие, чтобы заставить их изменить свое движение. Он также формально связывает силу с физической величиной ускорения, то есть изменением движения объекта.

Третий закон движения Ньютона объяснил, как силы возникают парами. В нем говорится, что если объект A применяет силу к объекту B, то объект B применяет силу к объекту A, которая равна по величине и в противоположном направлении силы к объекту B.

Третий закон Ньютона объясняет, почему ружья отдаются при выстреле и почему, если вы встанете на скейтборд и толкнетесь о стену, вы откатитесь назад.

Сила может рассматриваться как толчок или тяга. Если на объект действует только одна сила, эта единственная сила заставит движение объекта измениться обратно пропорционально его массе.

Сила - это векторная величина, означающая, что она имеет величину и направление. Направление чистой силы всегда совпадает с направлением ускорения или изменения движение (которое может быть противоположным направлению движения в таких ситуациях, когда объект замедляется вниз.)

Единицей силы в системе СИ является ньютон, где 1 Н = 1 кгм / с.². Единицей измерения CGS является дина, где 1 дина = 1 г · см / с.².

Вы уже знаете, что можете сами приложить силу к объекту, толкнув его или потянув. Это называется контактной силой, потому что требует контакта. Но есть и много других типов сил.

Список некоторых общих сил, с которыми вы сталкиваетесь при изучении физики, включает следующее:

• ​Сила гравитации:В сила притяжения на объекте можно наблюдать во время свободного падения, когда объект ускоряется по направлению к земле. Но гравитационная сила также удерживает планеты на орбите и не дает вам улететь в космос.
• ​Нормальная сила:Это опорная сила, действующая перпендикулярно поверхности и предотвращающая падение предметов через пол или столешницу.
• ​Электромагнитная сила:В совокупности это относится к магнитным силам и электростатическим силам. Эти типы сил являются результатом заряда или движущегося заряда. Это причина, по которой электроны отталкиваются друг от друга, а магниты слипаются.
• ​Силы трения:В сила трения это сила, которая противодействует движению объекта. По этой причине книгу сложнее сдвинуть по столу, чем по льду. Сила трения варьируется в зависимости от поверхностей, которые контактируют друг с другом.
• ​Сопротивление воздуха:Эта сила похожа на трение. Он возникает из-за того, что воздух противодействует движению падающих сквозь него предметов. Если объект падает достаточно долго, сила сопротивления воздуха заставит его достичь конечной скорости.
• ​Сила натяжения:Это тип силы, которая передается по струне, проволоке или чему-то подобному.
• ​Другие фундаментальные силы:Есть четыре основных силы природы. Два из них - это гравитация и электромагнетизм, которые уже были перечислены, а два других - это слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие. Последние два обычно влияют на вещи только на субатомном уровне, поэтому вы, возможно, никогда о них не слышали.

Второй закон Ньютона упоминает о равнодействующая сила. Чистая сила, действующая на объект, - это векторная сумма всех сил, действующих на объект.

Например, вы можете заставить двух человек толкать блок в противоположных направлениях с равными силами. Но результирующая сила оказывается равной 0, что означает, что блок не перемещается, потому что эти две силы нейтрализуют друг друга.

Диаграммы свободного тела - это эскизы, которые вы можете нарисовать, указывая величину и направление каждого вектора силы на объекте со стрелкой пропорциональной длины, указывающей в направлении силы. При решении физических задач, связанных с силами, вы, вероятно, набросаете множество этих диаграмм, потому что они помогает визуализировать действующие силы и дает более четкое представление о том, как сложить силы вместе, чтобы получить сеть сила.

Если на объект нет действующей силы, это означает, согласно второму закону Ньютона, что ускорение объекта равно 0. Другими словами, объект должен иметь постоянную скорость.

• Обратите внимание, что постоянная скорость - это не то же самое, что скорость 0. Например, объект, движущийся с постоянной скоростью 2 м / с, обязательно не имеет действующей на него чистой силы.

Возможно, вы слышали о силе, называемой центростремительной силой. Это не было перечислено с другими силами в предыдущем разделе, потому что на самом деле это тип чистой силы. Это чистая сила в радиальном направлении для любого объекта, совершающего круговое движение.

Круговое движение, даже с постоянной скоростью, не является движением с постоянной скоростью, потому что оно не поддерживает прямолинейный путь. Некоторая комбинация сил должна действовать, чтобы вызвать круговое движение. Центростремительная сила - это чистая радиальная сила, которая вызывает этот тип движения.

• Не путайте центростремительную силу с центробежной силой. Последнее на самом деле считается псевдосилой. Это сила, которая, кажется, действует на объект, совершающий круговое движение. Например, когда вы находитесь в машине, которая поворачивает за угол, вам может казаться, что на вас давят. сбоку от машины, но на самом деле происходит то, что сила втягивает вас в изогнутый путь.

Некоторые силы, кажется, действуют загадочно без контакта. Один из известных вам примеров - сила тяжести. Когда объект падает, земля притягивает этот объект к себе, даже не касаясь его.

Одним из математических инструментов, разработанных физиками для описания этого явления, является понятие поля. (Да, «силовое поле», но не такое, которое защищает от фотонных торпед!)

Гравитационное поле - это присвоение каждой точке пространства вектора, который указывает относительную величину и направление гравитационной силы в этом месте независимо от того, какой объект может испытывать силу в этом месте место расположения. Значение гравитационного поля в любой заданной точке будет просто гравитационной силой, которую почувствует масса.мв этом месте, но делится нам​.

Это понятие силового поля позволяет объяснить эти «таинственные» силы, которые, кажется, действуют ничего не касаясь, описывая силу как результат взаимодействия объекта с поле.

Как и в случае с гравитационными полями, у вас также может быть электрическое или магнитное поле, которые описывают относительная сила на единицу заряда или (сила на единицу магнитного момента), которую объект мог бы чувствовать в любом конкретном место расположения.