Czym jest moc w fizyce? Pojęcie i formuły siły

Wszystkie procesy wokół nas występują w wyniku działania siły fizycznej. Wraz z jego manifestacją człowiek znajduje się wszędzie, zaczynając od tego, że musi zastosować siłę, by wstać z łóżka rano, a zakończyć ruchami masywnych obiektów kosmicznych. Ten artykuł poświęcony jest pytaniom o to, co jest siłą w fizyce i jakie jej rodzaje istnieją.

Pojęcie władzy

Kwestia siły występującej w fizyce zaczyna się rozważać wraz z jej definicją. Poniżej znajduje się wartość zdolna do zmiany ilości ruchu danego ciała. Wyrażenie matematyczne dla tej definicji wygląda tak:

F¯ = dp¯ / dt

Tutaj dp jest zmianą ilości ruchu (inaczej nazywamy ją pulsem), dt jest przedziałem czasowym, w którym się zmienia. To pokazuje, że F¯ (siła) jest wektorem, to znaczy, aby go zdefiniować, konieczne jest poznanie zarówno modułu (wartość bezwzględna), jak i kierunku jego zastosowania.

Jak wiadomo, impuls jest mierzony w kg * m / s. Oznacza to, że F¯ oblicza się w kg * m / s ² . Ta jednostka miary nosi nazwę Newton (N) w SI. Ponieważ jednostka m / s ² jest miarą pomiaru przyspieszenia liniowego w mechanice klasycznej, drugie prawo Izaaka Newtona wynika automatycznie z definicji siły:

F¯ = m * a¯

W tym wzorze a¯ = dv¯ / dt jest przyspieszeniem.

Ta formuła siły w fizyce pokazuje, że w mechanice newtonowskiej wartość F¯ charakteryzuje się przyspieszeniem, które może komunikować się z ciałem o masie m.

Klasyfikacja sił

Temat siły w fizyce jest dość szeroki, a po szczegółowym rozważeniu dotyka podstawowych pojęć dotyczących struktury materii i procesów zachodzących we Wszechświecie. W tym artykule nie będziemy rozważać pojęcia siły relatywistycznej (procesy zachodzące przy prędkościach bliskiego światła) i sił w mechanice kwantowej, ale ograniczymy się do jej opisu dla obiektów makroskopowych, których ruch jest determinowany przez prawa mechaniki klasycznej.

Tak więc, w oparciu o codzienną obserwację procesów w życiu i przyrodzie, możemy wyróżnić następujące rodzaje siły:

• (ciężki);
• wpływ na stopę;
• tarcie;
• napięcie;
• elastyczność;
• odrzut.

Otwierając pytanie, czym jest siła w fizyce, uważamy każdy z tych typów bardziej szczegółowo.

Na całym świecie Newton

W fizyce działanie siły siły przejawia się w przyciąganiu dwóch obiektów o skończonej masie. Grawitacja jest wystarczająco słaba w porównaniu z oddziaływaniami elektrycznymi lub nuklearnymi. Przejawia się w kosmicznej skali (ruch planet, gwiazd, galaktyk).

W XVII wieku Isaac Newton, badając ruch planet wokół Słońca, doszedł do sformułowania prawa, które nazywane jest światem. W fizyce wzór na siłę grawitacji jest zapisany jako:

F = G * m ₁ * m ₂ / r ²

Formuła pozwala obliczyć, z jaką siłą przyciąga dwa ciała o masie m ₁ * m ₂ , znajdujące się w odległości r od siebie. Wartość G = 6,674 * 10 ^-11 N * m ² / kg ² jest stała.

Eksperymentalne ustalenie wartości G dokonano dopiero pod koniec XVIII wieku przez Henry'ego Cavendisha, który w swoich doświadczeniach posługiwał się skalą skrętną. Ten eksperyment pozwolił nam określić masę naszej planety.

W powyższym wzorze, jeśli nasza Ziemia jest jednym z ciał, siła dowolnego obiektu w pobliżu powierzchni Ziemi będzie równa:

F = G * M * m / R ² = m * g,

gdzie g = G * M / R ²

Tutaj M jest masą planety, R jest jej promieniem (odległość między ciałem a centrum Ziemi jest w przybliżeniu równa promieniowi tego ostatniego). Ostatnie wyrażenie jest matematyczną reprezentacją wielkości, która jest powszechnie nazywana masą ciała, czyli:

P = m * g

Wyrażenie pokazuje, że w fizyce grawitacja jest odpowiednikiem masy ciała. Mierzy się wartość P, znając siłę reakcji podpory, na której znajduje się ciało.

Reakcja powierzchni podłoża

Dlaczego ludzie, domy i inne przedmioty wpadają w ziemię? Dlaczego książka na stole nie spada? Te i inne podobne fakty wyjaśnione są przez istnienie siły reakcji wsparcia, która jest często oznaczana literą N. Jak sama nazwa wskazuje, jest to cecha wpływu na ciało powierzchni, na której się znajduje.

Na podstawie stwierdzonego faktu równowagi możemy napisać wyrażenie:

N = -P = -m * g

(dla poziomej pozycji ciała)

Oznacza to, że siła podparcia jest równa wielkości ciężaru ciała, jeśli znajduje się on na poziomej powierzchni i przeciwnie do niego w kierunku. Jeśli ciało znajduje się na pochyłej płaszczyźnie, wówczas N jest obliczane za pomocą funkcji trygonometrycznej (sin (x) lub cos (x)), ponieważ P jest zawsze skierowane do środka Ziemi (w dół), a N jest kierowane prostopadle do płaszczyzny powierzchni (w górę).

Zrozumienie przyczyny siły N wykracza poza zakres mechaniki klasycznej. Krótko mówiąc, mówimy, że jest to bezpośrednia konsekwencja tak zwanej zasady zakazu Pauliego. Zgodnie z nim, dwa elektrony nie mogą być w jednym stanie. Fakt ten prowadzi do tego, że jeśli dwa atomy zostaną połączone, to pomimo ich 99% pustki, powłoki elektronowe nie będą w stanie przeniknąć siebie nawzajem i pojawi się między nimi silne odpychanie.

Siła tarcia

W fizyce ten typ siły jest nie mniej częsty niż te omówione powyżej. Zawsze, gdy obiekt zaczyna się poruszać, zawsze występuje tarcie. Ogólnie rzecz biorąc, w fizyce siłę tarcia można przypisać do jednego z 3 typów:

• odpocząć;
• poślizg;
• toczenia.

Pierwsze dwa typy są opisane następującym wyrażeniem:

F = μ * n

Tutaj μ jest współczynnikiem tarcia, którego wartość zależy zarówno od rodzaju siły (spoczynku lub tarcia), jak i od materiałów powierzchni trących.

Tarcie toczenia, którego żywym przykładem jest ruchome koło, jest obliczane według wzoru:

F = f * N / R

Tutaj R jest promieniem koła, f jest współczynnikiem, który różni się od μ nie tylko wartością, ale także wymiarem (μ jest bezwymiarowy, f jest mierzony w jednostkach długości).

Każdy rodzaj siły tarcia jest zawsze skierowany przeciw ruchowi, wprost proporcjonalnie do siły N i nie zależy od powierzchni styku powierzchni.

Powodem pojawienia się tarcia między dwiema powierzchniami jest obecność na nich mikrohomogeniczności, co prowadzi do ich "zaręczyn" jak małe haczyki. To proste wyjaśnienie jest dość dobrym przybliżeniem rzeczywistego procesu, który jest znacznie bardziej złożony, a dogłębne zrozumienie wymaga rozważenia interakcji w skalach atomowych.

Powyższe formuły odnoszą się do tarcia ciał stałych. W przypadku substancji płynnych (cieczy i gazów) występuje również tarcie, ale już okazuje się, że jest ono proporcjonalne do prędkości obiektu (kwadrat prędkości z szybkimi ruchami).

Siła naciągu

Jaka jest siła w fizyce przy rozważaniu przepływu towarów za pomocą lin, lin i kabli? Nazywa się to siłą napięcia. Zazwyczaj jest to oznaczone literą T (patrz rys. Powyżej).

Rozważając problemy fizyki na temat siły napięcia, często pojawiają się tak prosty mechanizm jak blok. Pozwala na przekierowanie aktualnej siły T. Specjalne konstrukcje z bloków dają zysk w sile zastosowanej do podnoszenia ładunku.

Zjawisko elastyczności

Jeśli deformacje bryły są małe (do 1%), to po przyłożeniu siły zewnętrznej całkowicie znikają. Podczas tego procesu deformacja działa, tworząc tak zwaną siłę sprężystą. Na wiosnę wartość ta jest opisana przez prawo Hooke'a. Odpowiednia formuła to:

F = -k * x

Tutaj x to wielkość przesunięcia sprężyny od jej stanu równowagi (bezwzględne odkształcenie), k jest współczynnikiem. Znak minus w wyrażeniu pokazuje, że siła sprężystości jest skierowana przeciwko wszelkiemu odkształceniu (rozciągnięciu i ściskaniu), to znaczy, że dąży do przywrócenia położenia równowagi.

Fizyczna przyczyna pojawienia się sił sprężystości i napięcia jest taka sama, polega na pojawieniu się przyciągania lub odpychania pomiędzy atomami substancji, gdy zmienia się odległość równowagi między nimi.

Siła odrzutu

Każdy wie, że podczas strzelania z jakiejkolwiek broni palnej istnieje tak zwany odrzut. Przejawia się to w tym, że kolba pistoletu trafia w ramię strzelca, a czołg lub broń cofa się, gdy pocisk wystaje z lufy. Są to wszystkie przejawy mocy obdarzenia. Wzór na to jest podobny do tego, który został podany na początku artykułu przy definiowaniu pojęcia "siła".

Jak można się domyślić, przyczyną pojawienia się sił obdarzenia jest manifestacja prawa zachowania pędu systemu. Kula, która wystrzeliła z lufy pistoletu, niesie dokładnie taki sam impuls, z jakim kolba trafi w strzałę strzelca, w wyniku czego całkowita ilość ruchu pozostaje stała (równa zeru dla względnie stacjonarnego układu).