Vad är styrkor? (Fysik)

Medan du sannolikt är bekant med ordet "kraft" och har hört det används i vardagliga samtal ("Jag hade inget val - han tvingade mig att göra det!"), Vet du fysikens definition av kraft?

I den här artikeln lär du dig inte bara vad en kraft egentligen är, utan var tanken kom ifrån och hur den används i fysik.

Ändra rörelse

För att komma i rätt fysikinställning för att förstå krafter, kom ihåg vad du vet om rörelse. Du kan beskriva ett objekts position (plats i rymden) och du kan beskriva hur positionen förändras i tid; hastigheten för ändring av position per tidsenhet ärhastighet. Du kan också beskriva hur den hastigheten förändras - hastigheten på hastighetsförändringen per tidsenhet kallasacceleration​.

Dessa fysiska mängder - position, hastighet och acceleration - är alla vektormängder, vilket betyder att de har storlek och riktning associerade med sig.

Om ett föremål är i vila, till exempel en sten som sitter på en trottoar, är du troligtvis ganska säker på att det kommer att stanna kvar tills något får det att röra sig. Antingen någon som går längs trottoaren sparkar den, eller så är berget tillräckligt lätt för att skjutas av en stark vind. När detta inträffar ändras dess rörelse. Den fysiska storleken som orsakar denna förändring är, som vi kommer att lära oss, en kraft.

Du har antagligen också en viss känsla av att vissa föremål är svårare att flytta än andra. Föreställ dig en liten sten jämfört med en tung stenblock. Du skulle behöva sparka stenblocken mycket hårdare för att få den att röra sig. På samma sätt, om två objekt - ett lätt och ett tungt - redan rörde sig, är det mycket svårare att få det tyngre att stoppa.

Detta motstånd från ett objekt mot förändringar i dess rörelse kallas dess tröghet. Hur mycket kraft som krävs för att genomföra en viss förändring kommer att avse massa, vilket är ett mått på tröghet.

Formaliserande styrkor: Från Aristoteles till Galileo och Newton

Idén om en kraft har funnits länge, men den förstod inte till stor del på grund av felaktiga tolkningar av friktion.

Aristoteles föreslog att alla föremål har ett naturligt tillstånd som de vill vila i och att de kommer att göra såvida inte en kraft agerar. Han använde denna uppfattning för att förklara varför föremål faller till jorden, eller långsamt till ett stopp efter att ha skjutits.

Galileo motbevisade dock denna idé och förklarade förekomsten av en stoppkraft som kallas friktion. Han bestämde att föremål skulle fortsätta röra sig i raka banor om det inte fanns någon friktion för att sakta ner dem.

Sir Isaac Newton gav Galileos observationer en större formalisering med sina berömda tre rörelselagar. Han kunde beskriva vad krafter gör, hur de agerar och till och med tillskriva siffror med enheter till konceptet.

Newtons rörelselagar

Newtons första rörelselag - ibland kallad tröghetslagen - säger att ett objekt i vila förblir i vilotillstånd såvida inte en obalanserad kraft verkar på det. Denna del är ganska intuitiv när du tänker tillbaka på att sparka berget på trottoaren. Vidare säger denna lag att varje objekt som genomgår konstant hastighetsrörelse (rörelse med konstant hastighet i en rak linje) kommer att fortsätta att göra det såvida det inte påverkas av en extern extern kraft.

Den andra delen av den första lagen är mindre intuitiv eftersom föremål i vår vardagliga interaktion inte tenderar att fortsätta för evigt. Men det beror på att de påverkas av en resistiv kraft som kallas friktion.

Newtons andra rörelselag säger att nettokraften på ett objekt (som är vektorsumman av alla krafter som verkar) är lika med produkten av objektets massa och acceleration. Med andra ord:

F_ {net} = ma

Newtons andra rörelselag kunde förklara varför det är att du måste trycka hårdare på tunga föremål än på lättare föremål för att få dem att ändra sin rörelse. Det relaterade också formellt kraft till den fysiska accelerationsmängden, vilket är förändringen i objektets rörelse.

Newtons tredje rörelselag förklarade ytterligare hur krafter kommer i par. Den säger att om objekt A applicerar kraft på objekt B, så applicerar objekt B kraft på objekt A som är lika stort och i motsatt riktning av kraften på objekt B.

Newtons tredje lag förklarar varför pistoler ryggar när de skjuts och varför, om du står på en skateboard och trycker mot en vägg, slutar du rulla bakåt.

Definition av Force

En kraft kan ses som ett tryck eller ett drag. Om bara en enda kraft verkar på ett objekt kommer den enskilda kraften att få objektets rörelse att förändras i omvänd proportion till dess massa.

Kraft är en vektormängd, vilket betyder att den har storlek och riktning. Riktningen för en nettokraft är alltid densamma som riktningen för acceleration eller förändring av rörelse (som kan vara motsatt rörelseriktningen i sådana situationer där ett objekt saktar ner ner.)

SI-kraftenheten är newton där 1 N = 1 kgm / s2. CGS-enheten är färgen där 1 dyne = 1gcm / s2.

Exempel på styrkor

Du vet redan att du själv kan utöva en kraft på ett föremål genom att trycka på det eller dra i det. Detta kallas en kontaktstyrka eftersom det kräver kontakt. Men det finns också många andra typer av krafter.

En lista över några vanliga krafter du stöter på när du studerar fysik inkluderar följande:

  • Gravitationskraften:De tyngdkraften på ett objekt kan observeras under fritt fallrörelse, där ett objekt accelererar mot marken. Men gravitationskraften är också det som håller planeterna i omloppsbana, och vad som hindrar dig från att flyga ut i rymden.
  • Normal styrka:Detta är en stödkraft som verkar vinkelrätt mot en yta och som hindrar föremål från att falla genom golvet eller en bordsskiva.
  • Elektromagnetisk kraft:Detta refererar kollektivt till magnetiska krafter och elektrostatiska krafter. Dessa typer av krafter är resultatet av laddning eller rörlig laddning. Det är anledningen till att elektroner stöter från varandra och magneter hänger ihop.
  • Friktionskrafter:De friktionskraft är en kraft som motsätter sig ett objekts rörelse. Det är anledningen till att det är svårare att skjuta en bok över bordet än att skjuta en bok över ett isark. Friktionskraften varierar beroende på ytor som är i kontakt med varandra.
  • Luftmotstånd:Denna kraft liknar friktion. Det beror på att luften själv motsätter sig rörelsen från föremål som faller genom den. Om ett föremål faller tillräckligt länge kommer luftmotståndskraften att få det till sin sluthastighet.
  • Spänningskraft:Detta är en typ av kraft som överförs längs en sträng, tråd eller något liknande.
  • Andra grundläggande krafter:Det finns fyra grundläggande naturkrafter. Två är gravitation och elektromagnetism, som redan var listade, och de andra två är den svaga kärnkraften och den starka kärnkraften. Dessa två sista påverkar vanligtvis bara saker i en subatomär skala, varför du kanske aldrig har hört talas om dem.

Nettokraft och fria kroppsdiagram

Newtons andra lag nämnde a nettokraft. Nettokraften på ett objekt är vektorsumman av alla krafter som verkar på ett objekt.

Du kan till exempel låta två personer trycka på ett block i motsatta riktningar med lika kraft. Men nettokraften blir 0, vilket innebär att blocket inte rör sig eftersom de två krafterna avlägsnar varandra.

Gratis kroppsdiagram är skisser som du kan rita som anger storleken och riktningen för varje kraftvektor på ett objekt med en pil med proportionell längd som pekar i kraftens riktning. När du löser fysikproblem som involverar krafter kommer du sannolikt att skissa många av dessa diagram eftersom det hjälper till att visualisera vilka krafter som verkar och gör det tydligare hur man lägger samman krafterna för att få nätet tvinga.

Om det inte finns någon nettokraft på ett objekt betyder detta, via Newtons andra lag, att objektets acceleration är 0. Med andra ord måste objektet ha en konstant hastighet.

Tips

  • Observera att konstant hastighet inte är samma som 0-hastighet. Ett objekt som rör sig med konstant 2 m / s har till exempel inte nödvändigtvis någon nettokraft som verkar på det.

Du kanske har hört talas om en kraft som kallas centripetalkraften. Detta listades inte med de andra krafterna i föregående avsnitt eftersom det faktiskt är en typ av nettokraft. Det är nettokraften i radiell riktning för alla objekt som genomgår cirkulär rörelse.

Cirkulär rörelse, även vid konstant hastighet, är inte konstant hastighetsrörelse eftersom den inte upprätthåller en rak linje. Viss kombination av krafter måste verka för att orsaka cirkulär rörelse. Den centripetala kraften är den radiella nettokraften som orsakar denna typ av rörelse.

Tips

  • Förväxla inte centripetalkraft med centrifugalkraft. Det senare anses faktiskt vara en pseudokraft. Det är kraften som verkar verka på ett objekt som genomgår cirkulär rörelse. Till exempel, när du befinner dig i en bil som svänger sväng kan du känna att du trycks ned mot sidan av bilen, men vad som faktiskt händer är att en kraft drar dig in i en böjd väg.

Krafter och fält

Vissa krafter verkar fungera mystiskt utan kontakt. Ett exempel du känner till är gravitationskraften. När ett föremål tappas drar jorden det föremålet mot det utan att ens röra vid det.

Ett matematiskt verktyg som fysiker utvecklade för att beskriva detta fenomen är begreppet ett fält. (Ja, ett "kraftfält" men inte det som skyddar dig från foton-torpeder!)

Ett gravitationsfält är tilldelningen, till varje punkt i rymden, en vektor som anger den relativa storleken och gravitationskraftens riktning på den platsen oberoende av vilket objekt som kan uppleva en kraft vid det plats. Värdet av gravitationsfältet vid en viss punkt skulle helt enkelt vara den gravitationskraft som skulle kännas av en massamdär, men dividerat medm​.

Denna uppfattning om ett kraftfält möjliggör en förklaring av dessa "mystiska" krafter som verkar verka utan att röra vid något, genom att beskriva kraften som härrör från ett objekt som interagerar med fält.

Precis som gravitationsfält kan du också ha ett elektriskt fält eller ett magnetfält som beskriver relativ kraft per laddningsenhet eller (kraft per enhets magnetiskt moment) som ett objekt skulle känna i något särskilt plats.

  • Dela med sig
instagram viewer