Kuvvetler nedir? (Fizik)

Muhtemelen "kuvvet" kelimesine aşina olsanız ve günlük konuşmalarda kullanıldığını duymuş olsanız da ("Başka seçeneğim yoktu - beni yapmaya zorladı!"), kuvvetin fizik tanımını biliyor musunuz?

Bu yazıda sadece bir kuvvetin gerçekte ne olduğunu değil, aynı zamanda fikrin nereden geldiğini ve fizikte nasıl kullanıldığını öğreneceksiniz.

Kuvvetleri anlamak için doğru fizik zihniyetine girmek için, hakkında bildiklerinizi hatırlayın. hareket. Bir nesnenin konumunu (uzaydaki konumu) tanımlayabilir ve bu konumun zamanla nasıl değiştiğini tanımlayabilirsiniz; birim zaman başına konum değiştirme oranı,hız. Ayrıca hızın nasıl değiştiğini de tanımlayabilirsiniz - birim zamandaki hızın değişim hızına denir.hızlanma​.

Bu fiziksel nicelikler - konum, hız ve ivme - hepsi Vektör nicelikleri, kendileriyle ilişkili büyüklük ve yöne sahip oldukları anlamına gelir.

Kaldırımda oturan bir kaya gibi bir nesne hareketsiz durumdaysa, bir şey hareket ettirene kadar orada kalacağından büyük olasılıkla oldukça eminsinizdir. Ya kaldırımda yürüyen biri onu tekmeler ya da kaya kuvvetli bir rüzgar tarafından itilecek kadar hafiftir. Bu gerçekleştiğinde, hareketi değişir. Bu değişikliğe neden olan fiziksel nicelik, öğreneceğimiz gibi bir kuvvettir.

Muhtemelen, belirli nesnelerin hareket ettirilmesinin diğerlerinden daha zor olduğuna dair bir fikriniz vardır. Ağır bir kayaya kıyasla küçük bir çakıl taşı düşünün. Kayayı hareket ettirmek için çok daha sert tekmelemeniz gerekir. Benzer şekilde, biri hafif diğeri ağır olan iki nesne zaten hareket ediyorsa, ağır olanı durdurmak çok daha zordur.

Bir cismin hareketindeki herhangi bir değişikliğe karşı gösterdiği bu dirence, cismin hareketi denir. eylemsizlik. Belirli bir değişikliği gerçekleştirmek için ne kadar kuvvet gerektiği, atalet ölçüsü olan kütle ile ilgili olacaktır.

Bir kuvvet fikri uzun zamandır ortalıkta dolaşıyor, ancak sürtünmenin yanlış yorumlanması nedeniyle büyük ölçüde iyi anlaşılmadı.

Aristoteles, tüm nesnelerin içinde dinlenmek istedikleri doğal bir duruma sahip olduklarını ve bir kuvvet etki etmedikçe bunu yapacaklarını öne sürdü. Bu kavramı nesnelerin neden yere düştüğünü veya itildikten sonra neden yavaş yavaş durduğunu açıklamak için kullandı.

Ancak Galileo bu fikri çürüttü ve sürtünme adı verilen bir durdurma kuvvetinin varlığını açıkladı. Onları yavaşlatacak bir sürtünme olmasaydı, nesnelerin düz çizgide hareket etmeye devam edeceğini belirledi.

Sir Isaac Newton, Galileo'nun gözlemlerine ünlü eseriyle daha geniş bir biçimsellik kazandırdı. üç hareket kanunu. Kuvvetlerin ne yaptığını, nasıl hareket ettiğini tanımlayabiliyor ve hatta kavramlara birimlerle sayılar atfetebiliyordu.

Newton'un ilk hareket yasası - bazen atalet yasası olarak adlandırılır - üzerine dengesiz bir kuvvet etki etmedikçe, hareketsiz bir nesnenin durgun halde kaldığını belirtir. Kaldırımdaki kayayı tekmelemeyi düşündüğünüzde bu kısım oldukça sezgiseldir. Ayrıca, bu yasa, sabit hızda hareket eden herhangi bir nesnenin (düz bir çizgide sabit bir hızda hareket), net bir dış kuvvet tarafından etki edilmedikçe bunu yapmaya devam edeceğini belirtir.

Birinci yasanın ikinci kısmı daha az sezgiseldir çünkü günlük etkileşimlerimizde nesneler sonsuza kadar hareket etme eğiliminde değildir. Ancak bunun nedeni, sürtünme adı verilen dirençli bir kuvvet tarafından harekete geçirilmeleridir.

Newton'un ikinci hareket yasası, bir nesne üzerindeki net kuvvetin (bu, etki eden tüm kuvvetlerin vektör toplamıdır) nesnenin çarpımına eşit olduğunu belirtir. kitle ve hızlanma. Diğer bir deyişle:

Newton'un ikinci hareket yasası, hareketlerini değiştirmek için neden ağır nesnelere daha hafif nesnelere uyguladığınızdan daha fazla itmeniz gerektiğini açıklayabildi. Aynı zamanda, nesnenin hareketindeki değişiklik olan ivmenin fiziksel niceliği ile resmi olarak ilgili kuvvet.

Newton'un üçüncü hareket yasası, kuvvetlerin çiftler halinde nasıl geldiğini daha da açıkladı. A nesnesi B nesnesine kuvvet uygularsa, B nesnesinin A nesnesine eşit büyüklükte ve B nesnesi üzerindeki kuvvetin zıt yönünde kuvvet uyguladığını belirtir.

Newton'un üçüncü yasası, silahların vurulduğunda neden geri teptiğini ve bir kaykay üzerinde durup bir duvara ittiğinizde neden geriye doğru yuvarlandığınızı açıklar.

Bir kuvvet, itme veya çekme olarak düşünülebilir. Bir cisme sadece tek bir kuvvet etki ederse, bu tek kuvvet cismin hareketinin kütlesiyle ters orantılı olarak değişmesine neden olur.

Kuvvet vektörel bir büyüklüktür, yani büyüklüğü ve yönü vardır. Net kuvvetin yönü her zaman ivmenin veya kuvvetin değişiminin yönü ile aynıdır. hareket (bir nesnenin yavaşladığı bu gibi durumlarda hareket yönünün tersi olabilir) aşağı.)

SI kuvvet birimi Newton'dur, burada 1 N = 1 kgm/s². CGS birimi, 1 dyne = 1gcm/s olan dyne'dir.².

Bir nesneyi iterek veya çekerek ona kuvvet uygulayabileceğinizi zaten biliyorsunuz. Temas gerektirdiği için buna temas kuvveti denir. Ancak başka birçok kuvvet türü de vardır.

Fizik çalışırken karşılaştığınız bazı ortak güçlerin listesi aşağıdakileri içerir:

• ​Yer çekimi gücü: yerçekimi kuvveti bir cismin zemine doğru hızlandığı serbest düşme hareketi sırasında gözlemlenebilir. Ancak yerçekimi kuvveti aynı zamanda gezegenleri yörüngede tutan ve sizi uzaya uçmaktan alıkoyan şeydir.
• ​Normal kuvvet:Bu, bir yüzeye dik olarak hareket eden ve nesnelerin zeminden veya masa üstünden düşmesini engelleyen bir destek kuvvetidir.
• ​Elektromanyetik güç:Bu, toplu olarak manyetik kuvvetlere ve elektrostatik kuvvetlere atıfta bulunur. Bu tür kuvvetler, yükün veya hareketli yükün sonucudur. Elektronların birbirini itmesinin ve mıknatısların birbirine yapışmasının nedeni budur.
• ​Sürtünme kuvvetleri: sürtünme kuvveti bir cismin hareketine karşı koyan kuvvettir. Bir kitabı masanın üzerinde kaydırmanın, bir kitabı bir buz tabakası üzerinde kaydırmaktan daha zor olmasının nedeni budur. Sürtünme kuvveti birbiriyle temas eden yüzeylere göre değişir.
• ​Hava direnci:Bu kuvvet sürtünmeye benzer. İçinden düşen nesnelerin hareketine karşı çıkan havanın kendisinden kaynaklanır. Bir nesne yeterince uzun süre düşerse, hava direncinin kuvveti onun son hızına ulaşmasına neden olur.
• ​Gerilme kuvveti:Bu, bir ip, tel veya benzeri bir şey boyunca aktarılan bir kuvvet türüdür.
• ​Diğer temel kuvvetler:Doğanın dört temel gücü vardır. İkisi zaten listelenmiş olan yerçekimi ve elektromanyetizma, diğer ikisi ise zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvettir. Bu son ikisi tipik olarak sadece atom altı ölçekteki şeyleri etkiler, bu yüzden onları hiç duymamış olabilirsiniz.

Newton'un ikinci yasası, bir net kuvvet. Bir nesne üzerindeki net kuvvet, bir nesneye etki eden tüm kuvvetlerin vektör toplamıdır.

Örneğin, bir bloğa eşit kuvvetlerle zıt yönlerde iten iki kişi olabilir. Ancak net kuvvet 0 olur, yani bu iki kuvvet birbirini iptal ettiği için blok hareket etmez.

Serbest cisim diyagramları, kuvvet yönünü gösteren orantılı uzunlukta bir ok ile bir nesne üzerindeki her bir kuvvet vektörünün büyüklüğünü ve yönünü gösteren çizebileceğiniz çizimlerdir. Kuvvetleri içeren fizik problemlerini çözerken, muhtemelen bu diyagramların çoğunu çizeceksiniz çünkü hangi kuvvetlerin etki ettiğini görselleştirmeye yardımcı olur ve ağı elde etmek için kuvvetlerin nasıl bir araya getirileceğini daha net hale getirir güç.

Bir nesne üzerinde net kuvvet yoksa, bu, Newton'un ikinci yasasına göre, nesnenin ivmesinin 0 olduğu anlamına gelir. Başka bir deyişle, nesne sabit bir hıza sahip olmalıdır.

• Sabit hızın 0 hız ile aynı olmadığını unutmayın. Örneğin 2 m/s sabit hızla hareket eden bir cismin üzerine etki eden net kuvvetin olması gerekmez.

Merkezcil kuvvet denen bir kuvvet duymuş olabilirsiniz. Bu, aslında bir tür net kuvvet olduğu için önceki bölümdeki diğer kuvvetlerle birlikte listelenmemiştir. Dairesel hareket eden herhangi bir nesne için radyal yöndeki net kuvvettir.

Dairesel hareket, sabit bir hızda bile, sabit bir hız hareketi değildir, çünkü düz bir yol sağlamaz. Dairesel harekete neden olmak için bazı kuvvet kombinasyonları hareket etmelidir. Merkezcil kuvvet, bu tür harekete neden olan radyal net kuvvettir.

• Merkezkaç kuvveti ile merkezkaç kuvveti karıştırmayın. İkincisi aslında bir sahte güç olarak kabul edilir. Dairesel hareket eden bir cisme etki ediyormuş gibi görünen kuvvettir. Örneğin virajı dönen bir arabanın içindeyken üzerinize basılıyormuş gibi hissedebilirsiniz. arabanın yan tarafına karşı, ama gerçekte olan şey, bir kuvvetin sizi bir yere doğru çekmesidir. kıvrımlı yol.

Bazı güçler, temas olmadan gizemli bir şekilde hareket ediyor gibi görünüyor. Aşina olduğunuz bir örnek yerçekimi kuvvetidir. Bir nesne düşürüldüğünde, dünya o nesneyi ona dokunmadan kendisine doğru çeker.

Fizikçilerin bu fenomeni tanımlamak için geliştirdikleri bir matematiksel araç, alan kavramıdır. (Evet, bir “kuvvet alanı” ama sizi foton torpidolarından koruyan türden değil!)

Bir yerçekimi alanı, uzaydaki her bir noktaya, göreli büyüklüğü ve Hangi nesnenin o noktada bir kuvvetle karşılaşabileceğinden bağımsız olarak o konumdaki yerçekimi kuvvetinin yönü yer. Herhangi bir noktadaki yerçekimi alanının değeri, basitçe, bir kütle tarafından hissedilecek olan yerçekimi kuvveti olacaktır.mbu konumda, ancak bölünmüşm​.

Bu güç alanı kavramı, hareket ediyormuş gibi görünen bu “gizemli” güçlerin bir açıklamasına izin verir. herhangi bir şeye dokunmadan, kuvveti, cisimle etkileşime giren bir nesneden kaynaklanan kuvvet olarak tanımlayarak alan.

Tıpkı yerçekimi alanları gibi, bir elektrik alanınız veya bir manyetik alanınız da olabilir. birim yük başına göreli kuvvet veya (birim manyetik moment başına kuvvet), bir nesnenin herhangi bir belirli durumda hissedeceği yer.