Що таке сили? (Фізика)

Хоча ви, мабуть, знайомі зі словом «сила» і чули, як воно використовується в повсякденних розмовах («У мене не було вибору - він змусив мене це зробити!»), Чи знаєте ви фізичне визначення сили?

У цій статті ви дізнаєтесь не тільки про те, що таке сила насправді, але про те, звідки виникла ідея та як вона використовується у фізиці.

Щоб отримати правильний спосіб мислення для розуміння сил, згадайте те, що ви знаєте руху. Ви можете описати позицію об’єкта (розташування в просторі), і можете описати, як ця позиція змінюється в часі; швидкість зміни позиції за одиницю часу становитьшвидкість. Ви також можете описати, як ця швидкість змінюється - називається швидкість зміни швидкості за одиницю часуприскорення​.

Ці фізичні величини - положення, швидкість та прискорення - це все векторні величини, тобто вони мають величину та напрямок, пов’язані з ними.

Якщо якийсь об’єкт перебуває в стані спокою, наприклад, камінь, що сидить на тротуарі, ви, мабуть, досить впевнені, що він залишиться там, поки щось не змусить його рухатися. Або хтось, що йде вздовж тротуару, б’є його ногами, або, можливо, скеля досить легка, щоб її штовхнув сильний вітер. Коли це відбувається, його рух змінюється. Фізична величина, яка спричиняє ці зміни, як ми дізнаємось, є силою.

Ви, мабуть, також відчуваєте, що певні предмети важче пересувати, ніж інші. Уявіть собі невеликий камінчик порівняно з важким валуном. Вам потрібно було б вдарити ногою об валун набагато сильніше, щоб змусити його рухатися. Подібним чином, якщо два об’єкти - легкий і важкий - вже рухалися, зробити важчий один набагато складніше.

Цей опір об'єкта будь-яким змінам у його русі називається його інертність. Скільки сил потрібно для здійснення певної зміни, буде залежати від маси, яка є мірою інерції.

Ідея сили існує довгий час, але вона була недостатньо зрозумілою здебільшого через неправильне тлумачення тертя.

Арістотель запропонував, щоб усі предмети мали природний стан, в якому вони хочуть відпочивати, і що вони будуть робити це, якщо не діє сила. Він використав це поняття, щоб пояснити, чому предмети падають на землю або повільно зупиняються після натискання.

Однак Галілей спростував цю ідею і пояснив існування зупиняючої сили, яка називається тертям. Він визначив, що предмети продовжуватимуть рухатись прямолінійними шляхами, якщо не буде тертя, щоб уповільнити їх.

Сер Ісаак Ньютон дав більшу формалізацію спостереженням Галілея зі своїми знаменитими три закони руху. Він зміг описати, що роблять сили, як вони діють, і навіть віднести до поняття цифри з одиницями.

Перший закон руху Ньютона, який іноді називають законом інерції, стверджує, що об’єкт спокою залишається у стані спокою, якщо на нього не діє незбалансована сила. Ця частина досить інтуїтивно зрозуміла, коли ви повертаєтеся до того, як бити по скелі на тротуарі. Крім того, цей закон стверджує, що будь-який об'єкт, що зазнає руху з постійною швидкістю (рух з постійною швидкістю по прямолінійній трасі), буде продовжувати це робити, якщо на нього не впливатиме чиста зовнішня сила.

Ця друга частина першого закону менш інтуїтивна, оскільки в нашій повсякденній взаємодії предмети не мають тенденції постійно рухатися. Але це тому, що на них діє резистивна сила, яка називається тертям.

Другий закон руху Ньютона стверджує, що чиста сила на об'єкт (яка є векторною сумою всіх діючих сил) дорівнює добутку сили об'єкта маси і прискорення. Іншими словами:

Другий закон руху Ньютона зміг пояснити, чому саме на важкі предмети потрібно натискати сильніше, ніж на легші, щоб змусити їх змінити рух. Це також формально пов’язує силу з фізичною величиною прискорення, тобто зміною руху об’єкта.

Третій закон руху Ньютона далі пояснював, як сили потрапляють попарно. У ньому сказано, що якщо об’єкт A застосовує силу до об’єкта B, то об’єкт B застосовує силу до об’єкта A, яка дорівнює за величиною та у протилежному напрямку сили на об’єкт B.

Третій закон Ньютона пояснює, чому пістолети відстрілюються при пострілі і чому, якщо ти стоїш на скейтборді і штовхаєшся об стіну, ти в кінцевому підсумку котишся назад.

Силу можна сприймати як поштовх чи потяг. Якщо на об’єкт діє лише одна сила, ця одна сила призведе до того, що рух об’єкта зміниться у зворотній пропорції до його маси.

Сила - це векторна величина, що означає, що вона має величину та напрямок. Напрямок чистої сили завжди збігається з напрямком прискорення або зміни рух (який може бути протилежним напрямку руху в таких ситуаціях, коли об’єкт уповільнює вниз.)

Одиницею сили СІ є ньютон, де 1 Н = 1 кгм / с². Одиницею CGS є дин, де 1 дин = 1 гсм / с².

Ви вже знаєте, що можете самостійно надавати силу на предмет, штовхаючи його або тягнучи. Це називають контактною силою, оскільки вона вимагає контакту. Але є й багато інших видів сил.

Список деяких загальних сил, з якими ви стикаєтесь під час вивчення фізики, включає наступне:

• ​Гравітаційна сила: сила тяжіння на об'єкті можна спостерігати під час вільного падіння, коли об'єкт прискорюється до землі. Але гравітаційна сила - це також те, що утримує планети на орбіті, і те, що заважає вам відлетіти в космос.
• ​Звичайна сила:Це опорна сила, яка діє перпендикулярно поверхні і є тим, що запобігає падінню предметів через підлогу або стільницю.
• ​Електромагнітна сила:Це в сукупності відноситься до магнітних сил та електростатичних сил. Ці типи сил є результатом заряду або рухомого заряду. Саме тому електрони відштовхуються один від одного, а магніти злипаються.
• ​Сили тертя: сила тертя є силою, яка протистоїть руху предмета. Саме тому важче просунути книгу через стіл, ніж просунути книгу по аркушу льоду. Сила тертя змінюється в залежності від поверхонь, що контактують між собою.
• ​Опір повітря:Ця сила подібна до тертя. Це виникає внаслідок протидії самому повітрю руху предметів, що падають крізь нього. Якщо об’єкт падає досить довго, сила опору повітря змусить його досягти своєї кінцевої швидкості.
• ​Сила натягу:Це тип сили, яка передається вздовж струни, дроту або чогось подібного.
• ​Інші основні сили:Існує чотири основні сили природи. Два - це гравітація та електромагнетизм, які вже були перераховані, а два інших - це слабка ядерна сила та сильна ядерна сила. Ці два останні, як правило, впливають на речі лише в субатомному масштабі, саме тому ви, можливо, ніколи про них не чули.

У другому законі Ньютона згадується a чиста сила. Чиста сила на об'єкт - це векторна сума всіх сил, що діють на об'єкт.

Наприклад, у вас може бути двоє людей, що з рівними силами штовхають на блок у протилежних напрямках. Але чиста сила в підсумку дорівнює 0, що означає, що блок не рухається, оскільки ці дві сили виключають одна одну.

Діаграми вільного тіла - це ескізи, які ви можете намалювати із зазначенням величини та напрямку кожного вектора сили на об’єкт зі стрілкою пропорційної довжини, спрямованою у напрямку сили. Вирішуючи фізичні завдання із залученням сил, ви, мабуть, намалюєте багато цих діаграм, тому що це допомагає наочно уявити, які сили діють, і робить більш зрозумілим, як скласти сили, щоб отримати сітку сили.

Якщо на об’єкт немає чистої сили, це означає, згідно з другим законом Ньютона, що прискорення об’єкта дорівнює 0. Іншими словами, об’єкт повинен мати постійну швидкість.

• Зверніть увагу, що постійна швидкість не є такою ж, як 0 швидкість. Наприклад, об'єкт, що рухається зі сталою 2 м / с, необов'язково не має на нього діючої сили.

Можливо, ви чули про силу, яку називають доцентровою силою. Це не було перелічено серед інших сил у попередньому розділі, оскільки насправді це тип чистої сили. Це чиста сила в радіальному напрямку для будь-якого об’єкта, що зазнає кругового руху.

Круговий рух, навіть із постійною швидкістю, не є рухом з постійною швидкістю, оскільки він не підтримує прямолінійний шлях. Деяке поєднання сил повинно діяти, щоб викликати круговий рух. Доцентрова сила - це радіальна чиста сила, яка спричиняє цей тип руху.

• Не плутайте відцентрову силу з відцентровою. Останнє насправді вважається псевдосилою. Це сила, яка, здається, діє на об’єкт, що зазнає кругових рухів. Наприклад, коли ви перебуваєте в машині, яка повертає за поворот, ви можете відчувати, як вас тиснуть проти борту автомобіля, але насправді відбувається те, що сила тягне вас у кривий шлях.

Здається, певні сили діють таємниче без контакту. Одним із прикладів, який ви знайомі, є сила тяжіння. Коли предмет впаде, земля тягне його до себе, навіть не торкаючись.

Одним математичним інструментом, який фізики розробили для опису цього явища, є поняття поля. (Так, "силове поле", але не таке, яке захищає вас від фотонних торпед!)

Гравітаційне поле - це присвоєння кожній точці простору вектору, який вказує на відносну величину і напрямок сили тяжіння в цьому місці, незалежно від того, який об’єкт може відчувати силу в цьому місці Розташування. Значення гравітаційного поля в будь-якій даній точці було б просто силою тяжіння, яку відчувала б масамв цьому місці, але розділене нам​.

Це поняття силового поля дозволяє пояснити ці "таємничі" сили, які, здається, діють нічого не торкаючись, описуючи силу як результат дії об’єкта, що взаємодіє з поле.

Так само, як гравітаційні поля, ви також можете мати електричне поле або магнітне поле, яке описує відносна сила на одиницю заряду або (сила на одиницю магнітного моменту), яку об'єкт відчував би в будь-якому конкретному Розташування.