Čo sú sily? (Fyzika)

Aj keď ste pravdepodobne oboznámení so slovom „sila“ a počuli ste ho v bežných rozhovoroch („Nemal som na výber - prinútil ma k tomu!“), Poznáte fyzikálnu definíciu sily?

V tomto článku sa dozviete nielen to, čo vlastne sila je, ale aj to, odkiaľ táto myšlienka pochádza a ako sa používa vo fyzike.

Ak chcete získať správne myslenie pre fyziku, aby ste pochopili sily, pripomeňte si, o čom viete pohyb. Môžete opísať polohu objektu (umiestnenie v priestore) a môžete opísať, ako sa táto pozícia v čase mení; rýchlosť zmeny polohy za jednotku času jerýchlosť. Môžete tiež opísať, ako sa táto rýchlosť mení - nazýva sa rýchlosť zmeny rýchlosti za jednotku časuzrýchlenie​.

Tieto fyzikálne veličiny - poloha, rýchlosť a zrýchlenie - sú všetky vektorové veličiny, čo znamená, že sú s nimi spojené veľkosťou a smerom.

Ak je objekt v pokoji, napríklad skala ležiaca na chodníku, ste si pravdepodobne celkom istí, že tam zostane, kým sa ho niečo nebude hýbať. Buď to niekto kráčajúci po chodníku kopne, alebo je možno skala dostatočne ľahká na to, aby ju mohol tlačiť silný vietor. Ak k tomu dôjde, jeho pohyb sa zmení. Fyzikálna veličina, ktorá spôsobuje túto zmenu, ako sa dozvieme, je sila.

Pravdepodobne máte tiež pocit, že s určitými objektmi sa dá hýbať ťažšie ako s ostatnými. Predstavte si malý kamienok v porovnaní s ťažkým balvanom. Do balvanu by ste museli kopnúť oveľa tvrdšie, aby sa rozhýbal. Podobne, ak sa už pohybovali dva objekty - ľahký a ťažký -, je oveľa ťažšie zastaviť ten ťažší.

Tento odpor objektu voči akýmkoľvek zmenám v jeho pohybe sa nazýva jeho zotrvačnosť. Koľko sily potrebnej na vykonanie určitej zmeny sa bude týkať hmotnosti, ktorá je mierou zotrvačnosti.

Myšlienka sily existuje už dlho, ale z veľkej časti nebola dobre pochopená kvôli nesprávnej interpretácii trenia.

Aristoteles navrhol, aby všetky objekty mali prirodzený stav, v ktorom chcú odpočívať, a že tak budú robiť, pokiaľ nebude pôsobiť sila. Použil túto predstavu na vysvetlenie, prečo predmety padajú na zem alebo sa pomaly zastavia po zatlačení.

Galileo však vyvrátil túto myšlienku a vysvetlil existenciu zastavovacej sily nazývanej trenie. Zistil, že objekty sa budú pohybovať po priamkových dráhach, ak nebude existovať trenie, ktoré by ich spomalilo.

Sir Isaac Newton dal väčšiu formalizáciu pozorovaniam Galilea so svojím slávnym tri pohybové zákony. Vedel popísať, čo sily robia, ako pôsobia, a dokonca konceptu priradiť čísla jednotkami.

Prvý Newtonov pohybový zákon - niekedy nazývaný zákon zotrvačnosti - uvádza, že predmet v pokoji zostáva v stave pokoja, pokiaľ na neho nepôsobí nevyvážená sila. Táto časť je dosť intuitívna, keď si spomeniete na kopnutie do skaly na chodníku. Tento zákon ďalej uvádza, že akýkoľvek objekt podstupujúci pohyb konštantnou rýchlosťou (pohyb konštantnou rýchlosťou v priamej dráhe) to bude robiť naďalej, pokiaľ na neho nebude pôsobiť čistá vonkajšia sila.

Táto druhá časť prvého zákona je menej intuitívna, pretože pri našich každodenných interakciách nemajú objekty tendenciu sa pohybovať navždy. Je to však preto, lebo na ne pôsobí odporová sila, ktorá sa nazýva trenie.

Druhý Newtonov pohybový zákon hovorí, že čistá sila na objekt (ktorá je vektorovým súčtom všetkých pôsobiacich síl) sa rovná súčinu produktu objektu omša a zrýchlenie. Inými slovami:

Druhý Newtonov pohybový zákon dokázal vysvetliť, prečo je to tak, že musíte silnejšie tlačiť na ťažké predmety, ako to robíte na ľahších predmetoch, aby ste ich prinútili zmeniť pohyb. Formálne tiež súvisela sila s fyzikálnou veličinou zrýchlenia, ktorou je zmena pohybu objektu.

Tretí Newtonov pohybový zákon ďalej vysvetľoval, ako sily prichádzajú v pároch. Uvádza sa v ňom, že ak objekt A použije na objekt B silu, potom objekt B použije na objekt A silu, ktorá je rovnako veľká a v opačnom smere sily na objekt B.

Tretí Newtonov zákon vysvetľuje, prečo sa strely pri výstrele odrazia a prečo, ak stojíte na skateboarde a tlačíte o stenu, nakoniec sa vyvalíte dozadu.

Sila sa dá považovať za tlačenie alebo ťahanie. Ak na objekt pôsobí iba jedna sila, táto jediná sila spôsobí, že sa pohyb objektu zmení v inverznom pomere k jeho hmotnosti.

Sila je vektorová veličina, čo znamená, že má veľkosť a smer. Smer čistej sily je vždy rovnaký ako smer zrýchlenia alebo zmeny pohyb (ktorý môže byť v opačnom smere pohybu v situáciách, keď sa predmet spomaľuje dole.)

SI jednotka sily je newton, kde 1 N = 1 kgm / s². Jednotkou CGS je dyn, kde 1 dyn = 1 gcm / s².

Už viete, že na predmet môžete pôsobiť silou tak, že ho zatlačíte alebo potiahnete. Toto sa označuje ako kontaktná sila, pretože vyžaduje kontakt. Existuje však aj veľa ďalších druhov síl.

Zoznam niektorých bežných síl, s ktorými sa stretávate pri štúdiu fyziky, je nasledovný:

• ​Gravitačná sila:The gravitačná sila na objekte možno pozorovať pri pohybe voľným pádom, pri ktorom sa predmet zrýchľuje smerom k zemi. Gravitačná sila je však tiež to, čo udržuje planéty na obežnej dráhe, a to, čo vám bráni v odlete do vesmíru.
• ​Normálna sila:Toto je podporná sila, ktorá pôsobí kolmo na povrch a bráni predmetom v páde cez podlahu alebo dosku stola.
• ​Elektromagnetická sila:To sa týka kolektívne magnetických síl a elektrostatických síl. Tieto typy síl sú výsledkom náboja alebo pohyblivého náboja. To je dôvod, prečo sa elektróny navzájom odpudzujú a magnety držia spolu.
• ​Trecie sily:The sila trenia je sila, ktorá odporuje pohybu objektu. To je dôvod, prečo je ťažšie posúvať knihu cez stôl, ako je posúvať knihu cez ľadový plát. Sila trenia sa líši v závislosti od povrchov, ktoré sú navzájom v kontakte.
• ​Odpor vzduchu:Táto sila je podobná treniu. Vyplýva to zo samotného vzduchu, ktorý je proti pohybu predmetov, ktoré cez neho padajú. Ak predmet klesne na dostatočne dlhý čas, sila odporu vzduchu spôsobí, že dosiahne svoju konečnú rýchlosť.
• ​Napínacia sila:Toto je typ sily, ktorá sa prenáša pozdĺž povrázku, drôtu alebo čohokoľvek podobného.
• ​Ďalšie základné sily:Existujú štyri základné sily prírody. Dva sú gravitácia a elektromagnetizmus, ktoré už boli uvedené v zozname, a ďalšie dva sú slabá jadrová sila a silná jadrová sila. Tieto posledné dva zvyčajne ovplyvňujú iba veci v subatomárnej mierke, a preto ste o nich možno nikdy nepočuli.

Druhý Newtonov zákon spomenul a čistá sila. Čistá sila na objekt je vektorovým súčtom všetkých síl pôsobiacich na objekt.

Napríklad môžete mať dvoch ľudí, ktorí tlačia na blok v opačných smeroch rovnakými silami. Čistá sila však nakoniec bude 0, čo znamená, že blok sa nepohybuje, pretože tieto dve sily sa navzájom rušia.

Schémy voľného tela sú náčrty, ktoré môžete nakresliť a ktoré označujú veľkosť a smer každého vektora sily na objekt so šípkou proporcionálnej dĺžky smerujúcou v smere sily. Pri riešení fyzikálnych problémov zahŕňajúcich sily si pravdepodobne nakreslíte veľa týchto diagramov, pretože to pomáha vizualizovať, aké sily pôsobia, a objasňuje, ako spojiť sily, aby ste dostali sieť sila.

Ak na predmet neexistuje žiadna čistá sila, znamená to podľa druhého Newtonovho zákona, že zrýchlenie objektu je 0. Inými slovami, objekt musí mať konštantnú rýchlosť.

• Upozorňujeme, že konštantná rýchlosť nie je rovnaká ako rýchlosť 0. Napríklad objekt pohybujúci sa konštantnou rýchlosťou 2 m / s na ňu nevyhnutne nemusí pôsobiť žiadna čistá sila.

Možno ste už počuli o sile nazývanej dostredivá sila. To nebolo uvedené v zozname ostatných síl v predchádzajúcej časti, pretože ide v skutočnosti o typ čistej sily. Je to čistá sila v radiálnom smere pre akýkoľvek objekt podstupujúci kruhový pohyb.

Kruhový pohyb, dokonca aj pri konštantnej rýchlosti, nie je pohybom konštantnej rýchlosti, pretože neudržuje priamku. Určitá kombinácia síl musí pôsobiť, aby spôsobila kruhový pohyb. Dostredivá sila je radiálna čistá sila, ktorá spôsobuje tento typ pohybu.

• Nezamieňajte dostredivú silu s odstredivou silou. Tá druhá sa v skutočnosti považuje za pseudo-silu. Je to sila, ktorá akoby pôsobila na objekt podstupujúci kruhový pohyb. Napríklad, keď ste v aute, ktoré zatáča, môžete mať pocit, že na vás tlačí proti boku auta, ale to, čo sa v skutočnosti deje, je to, že sila vás vtiahne do a zahnutá cesta.

Zdá sa, že určité sily pôsobia bez kontaktu záhadne. Jedným z príkladov, ktoré dobre poznáte, je gravitačná sila. Keď nejaký predmet spadne, Zem ho pritiahne k sebe bez toho, aby sa ho dotkla.

Jedným z matematických nástrojov, ktoré fyzici vyvinuli na popísanie tohto javu, je pojem poľa. (Áno, „silové pole“, ale nie také, ktoré vás chráni pred fotónovými torpédami!)

Gravitačné pole je priradenie ku každému bodu v priestore vektor, ktorý označuje relatívnu veľkosť a smer gravitačnej sily v danom mieste bez ohľadu na to, aký objekt môže v tomto smere pôsobiť umiestnenie. Hodnota gravitačného poľa v ktoromkoľvek danom bode by jednoducho bola gravitačná sila, ktorú by pocítila hmotnosťmna tomto mieste, ale vydelené číslomm​.

Táto predstava silového poľa umožňuje vysvetlenie týchto „záhadných“ síl, ktoré pôsobia bez toho, aby ste sa niečoho dotkli, opísaním sily, ktorá je výsledkom objektu interagujúceho s lúka.

Rovnako ako gravitačné polia môžete mať aj elektrické alebo magnetické pole, ktoré popisuje relatívna sila na jednotku náboja alebo (sila na jednotku magnetického momentu), ktorú by nejaký predmet pociťoval umiestnenie.