Kaj so sile? (Fizika)

Čeprav besedo "sila" verjetno poznate in ste jo že slišali uporabljati v vsakodnevnih pogovorih ("Nisem imel izbire - prisilil me je k temu!"), Ali poznate fizikalno definicijo sile?

V tem članku boste izvedeli ne le, kaj sila v resnici je, ampak od kod ideja in kako se uporablja v fiziki.

Če želite priti do prave fizične miselnosti za razumevanje sil, se spomnite tega, kar veste gibanje. Lahko opišete položaj predmeta (lokacija v prostoru) in opišete, kako se ta položaj spreminja v času; hitrost spremembe položaja na enoto časa jehitrost. Lahko tudi opišete, kako se ta hitrost spreminja - imenuje se hitrost spremembe hitrosti na enoto časapospešek​.

Te fizikalne veličine - položaj, hitrost in pospešek - so vse vektorske količine, kar pomeni, da sta z njimi povezana velikost in smer.

Če predmet miruje, na primer skala, ki sedi na pločniku, ste verjetno precej prepričani, da bo ostal tam, dokler se nekaj ne premakne. Ali ga nekdo, ki se sprehaja po pločniku, brcne ali pa je skala dovolj lahka, da jo potisne močan veter. Ko se to zgodi, se njegovo gibanje spremeni. Kot bomo izvedeli, je fizična količina, ki povzroča to spremembo, sila.

Verjetno imate tudi nekaj občutka, da je nekatere predmete težje premikati kot druge. Predstavljajte si majhen kamenček v primerjavi s težkim balvanom. Morali bi udariti balvan veliko močneje, da bi se premaknil. Podobno, če sta se že premikala dva predmeta - lahki in težki - je težje ustaviti težjega.

Ta odpornost predmeta na kakršne koli spremembe gibanja se imenuje njegova vztrajnost. Koliko sile je potrebno za izvedbo določene spremembe, se bo nanašalo na maso, ki je merilo vztrajnosti.

Zamisel o sili obstaja že dolgo, vendar je v veliki meri zaradi napačnih interpretacij trenja niso dobro razumeli.

Aristotel je predlagal, da imajo vsi predmeti naravno stanje, v katerem želijo počivati, in da bodo to storili, če ne bo delovala sila. S tem pojmom je pojasnil, zakaj predmeti padejo na zemljo ali se počasi ustavijo po potisku.

Galileo pa je to idejo ovrgel in pojasnil obstoj zaviralne sile, imenovane trenje. Ugotovil je, da se bodo predmeti še naprej premikali po premicah, če ni trenja, ki bi jih upočasnilo.

Sir Isaac Newton je dal Galileovemu opazovanju s svojimi slavnimi večjo formalizacijo tri zakone gibanja. Znal je opisati, kaj sile delajo, kako delujejo, konceptu pa celo pripisal številke z enotami.

Newtonov prvi zakon gibanja - včasih imenovan tudi zakon vztrajnosti - pravi, da objekt v mirovanju ostane v stanju mirovanja, razen če nanj deluje neuravnotežena sila. Ta del je precej intuitiven, ko se spomnite brcanja skale po pločniku. Poleg tega ta zakon določa, da bo vsak predmet, ki se giblje s konstantno hitrostjo (gibanje s konstantno hitrostjo po premici), to počel še naprej, razen če nanj deluje neto zunanja sila.

Ta drugi del prvega zakona je manj intuitiven, ker se v naših vsakdanjih interakcijah predmeti ne težijo k temu, da bi se gibali večno. A to je zato, ker nanje deluje uporovna sila, imenovana trenje.

Newtonov drugi zakon gibanja pravi, da je neto sila na predmet (ki je vektorska vsota vseh sil, ki delujejo) enaka zmnožku predmeta maso in pospeševanje. Z drugimi besedami:

Newtonov drugi zakon gibanja je lahko razložil, zakaj je treba na težke predmete pritiskati močneje kot na lažje predmete, da jih spremenijo. Prav tako je formalno povezal silo s fizično količino pospeška, to je spremembo gibanja predmeta.

Newtonov tretji zakon gibanja je nadalje pojasnil, kako sile prihajajo v parih. Navaja, da če objekt A uporabi silo na objekt B, potem objekt B uporabi silo, ki je enaka po velikosti in v nasprotni smeri sile na objekt B.

Tretji Newtonov zakon pojasnjuje, zakaj puške odstrelijo, ko jih ustrelijo in zakaj, če stojite na rolki in pritisnete ob steno, se na koncu valjate nazaj.

Na silo lahko mislimo kot na potisk ali vlek. Če na objekt deluje le ena sila, bo ta sila povzročila, da se gibanje predmeta spremeni v obratnem sorazmerju z njegovo maso.

Sila je vektorska količina, kar pomeni, da ima velikost in smer. Smer neto sile je vedno enaka smeri pospeševanja ali spreminjanja gibanje (ki je lahko v nasprotni smeri gibanja v takih situacijah, ko se predmet upočasni navzdol.)

Enota sile SI je newton, kjer je 1 N = 1 kgm / s². Enota CGS je din, kjer je 1 din = 1gcm / s².

Že veste, da lahko na predmet sami pritisnete tako, da ga potisnete ali potegnete. To se imenuje kontaktna sila, ker zahteva stik. Obstajajo pa tudi številne druge vrste sil.

Seznam nekaterih pogostih sil, s katerimi se srečujete med študijem fizike, vključuje naslednje:

• ​Gravitacijska sila:The sila teže na predmetu je mogoče opaziti med gibanjem prostega padca, pri katerem predmet pospešuje proti tlom. Toda gravitacijska sila je tudi tista, ki zadržuje planete v orbiti in preprečuje, da bi odleteli v vesolje.
• ​Normalna sila:To je podporna sila, ki deluje pravokotno na površino in je tista, ki preprečuje, da bi predmeti padli skozi tla ali mizo.
• ​Elektromagnetna sila:To se skupaj nanaša na magnetne sile in elektrostatične sile. Te vrste sil so posledica naboja ali gibanja naboja. To je razlog, da se elektroni odbijajo in se magneti držijo skupaj.
• ​Torne sile:The sila trenja je sila, ki nasprotuje gibanju predmeta. To je razlog, da je knjigo težje potisniti čez mizo, kot pa knjigo po ledenem listu. Sila trenja se spreminja glede na površine, ki so med seboj v stiku.
• ​Zračna odpornost:Ta sila je podobna trenju. Rezultat je, da zrak sam nasprotuje gibanju predmetov, ki padajo skozenj. Če predmet pade dovolj dolgo, bo sila zračnega upora dosegla končno hitrost.
• ​Natezna sila:To je vrsta sile, ki se prenaša vzdolž vrvice, žice ali česar koli podobnega.
• ​Druge temeljne sile:Obstajajo štiri temeljne naravne sile. Dve sta gravitacija in elektromagnetizem, ki sta že bila navedena, drugi dve pa sta šibka jedrska sila in močna jedrska sila. Ta zadnja dva običajno vplivata le na stvari v subatomski lestvici, zato morda še nisi slišal zanje.

Newtonov drugi zakon omenja a neto sila. Neto sila na objekt je vektorska vsota vseh sil, ki delujejo na objekt.

Na primer, lahko imate dve osebi, ki potiskata blok v nasprotnih smereh z enakimi silami. Toda neto sila na koncu znaša 0, kar pomeni, da se blok ne premakne, ker se ti dve sili medsebojno izničita.

Diagrami prostega telesa so skice, ki jih lahko narišete tako, da označite velikost in smer vsakega vektorja sile na predmet s puščico sorazmerne dolžine, ki kaže v smeri sile. Pri reševanju fizikalnih problemov, ki vključujejo sile, boste verjetno skicirali veliko teh diagramov, ker je pomaga vizualizirati, katere sile delujejo, in naredi bolj jasno, kako seštevati sile, da dobimo mrežo sila.

Če na objekt ni neto sile, to po Newtonovem drugem zakonu pomeni, da je pospešek predmeta 0. Z drugimi besedami, objekt mora imeti stalno hitrost.

• Upoštevajte, da konstantna hitrost ni enaka 0 hitrosti. Predmet, ki se na primer giblje s konstanto 2 m / s, nujno nima čiste sile, ki deluje nanj.

Morda ste že slišali za silo, imenovano centripetalna sila. Ta v prejšnjem oddelku ni bil naveden z drugimi silami, ker gre dejansko za vrsto neto sile. To je neto sila v radialni smeri za kateri koli predmet, ki se krožno giblje.

Krožno gibanje, tudi pri konstantni hitrosti, ni gibanje s konstantno hitrostjo, ker ne vzdržuje ravne črte. Nekatera kombinacija sil mora delovati, da povzroči krožno gibanje. Centripetalna sila je radialna neto sila, ki povzroča to vrsto gibanja.

• Ne mešajte centripetalne sile s centrifugalno silo. Slednje pravzaprav velja za psevdo silo. Zdi se, da sila deluje na predmet, ki se krožno giblje. Na primer, ko ste v avtu, ki zavije za vogal, se vam zdi, da vas pritiska proti boku avtomobila, vendar se dejansko dogaja, da vas sila potegne v a ukrivljena pot.

Zdi se, da nekatere sile delujejo skrivnostno brez stika. Primer, ki ga poznate, je gravitacijska sila. Ko predmet pade, ga zemlja povleče k sebi, ne da bi se ga sploh dotaknila.

Matematično orodje, ki so ga fiziki razvili za opis tega pojava, je pojem polja. (Da, "polje sile", vendar ne takšno, ki vas ščiti pred fotonskimi torpedi!)

Gravitacijsko polje je dodelitev vektorju, ki označuje relativno velikost in vsako točko v prostoru smer gravitacijske sile na tej lokaciji, neodvisno od tega, kateri predmet lahko pri tem občuti silo lokacijo. Vrednost gravitacijskega polja v kateri koli točki bi bila preprosto gravitacijska sila, ki bi jo začutila masamna tej lokaciji, vendar deljeno zm​.

Ta predstava o polju sile omogoča razlago teh "skrivnostnih" sil, za katere se zdi, da delujejo ne da bi se ničesar dotaknili, tako da opišemo silo, ki je posledica predmeta, ki je v interakciji z polje.

Tako kot gravitacijska polja lahko imate tudi električno ali magnetno polje, ki opisuje relativna sila na enoto naboja ali (sila na enoto magnetnega momenta), ki bi jo objekt čutil v določenem primeru lokacijo.