Co je síla ve fyzice? Koncept a vzorce síly

Všechny procesy kolem nás jsou výsledkem působení fyzické síly. S jeho projevem se člověk nachází všude, začíná tím, že musí použít sílu, aby se z rána dostal z postele a skončil pohybem masivních vesmírných objektů. Tento článek je věnován otázkám, co je síla ve fyzice a jaké druhy to existují.

Koncepce moci

Otázka jaké síly je ve fyzice, začneme uvažovat s její definicí. Pod ním je hodnota schopná měnit velikost pohybu dotyčného těla. Matematický výraz pro tuto definici vypadá takto:

F¯ = dp¯ / dt

Zde dp je změna v množství pohybu (jinak se nazývá puls), dt je časový interval, během kterého se mění. To ukazuje, že F¯ (síla) je vektor, tj. Je definovat, je nutné znát jak modul (absolutní hodnotu), tak směr jeho aplikace.

Jak víte, puls je měřen v kg * m / s. To znamená, že F¯ se počítá v kg * m / s ² . Tato jednotka měření se nazývá Newton (N) v SI. Vzhledem k tomu, že jednotka m / s ² je měřítkem měření lineární akcelerace v klasické mechaniky, druhý zákon Isaac Newton automaticky vyplývá z definice síly:

F¯ = m * a¯

V tomto vzorci a¯ = dv¯ / dt je zrychlení.

Tento vzorec síly ve fyzice ukazuje, že v Newtonově mechanice je hodnota F¯ charakterizována akcelerací, kterou může sdělit tělu s hmotností m.

Klasifikace sil

Téma síly ve fyzice je poměrně široké a po důkladném zvážení se dotýká základních pojmů o struktuře hmoty ao procesech ve vesmíru. V tomto článku nebudeme uvažovat o konceptu relativistické síly (procesy probíhající v blízkosti rychlosti světla) a síly v kvantové mechanice, ale budeme se omezovat na popis makroskopických objektů, jejichž pohyb je určen zákony klasické mechaniky.

Takže na základě každodenního pozorování procesů v životě a přírodě můžeme rozlišit tyto druhy síly:

• (těžké);
• dopad;
• tření;
• napětí;
• elasticita;
• zpětný odraz.

Otevřením otázky o tom, jaké síly ve fyzice je, každý z těchto typů zvažujeme podrobněji.

Celý svět Newton

Ve fyzice se účinek síly síly projevuje v přitažlivosti dvou objektů s konečnou hmotností. Gravitace je dostatečně slabá ve srovnání s elektrickými nebo jadernou interakcí. Vykazuje se na kosmickém měřítku (pohyb planet, hvězd, galaxií).

V 17. století Isaac Newton, studoval pohyb planet kolem Slunce, přišel k formulaci zákona, který se nazývá celosvětový. Ve fyzice je vzorec pro sílu gravitace napsán jako:

F = G * m ₁ * m ₂ / r ²

Vzorec umožňuje vypočítat s jakou silou jsou přitahovány dvě tělesa s hmotností m ₁ * m ₂ umístěná ve vzdálenosti r od sebe navzájem. Hodnota G = 6,674 * 10 ^-11 N * m ² / kg ² je konstanta.

Experimentální určení hodnoty G bylo provedeno až na konci 18. století Henrym Cavendishem, který v jeho zkušenostech použil torzní váhy. Tento experiment nám umožnil určit hmotnost naší planety.

Ve výše uvedeném vzorci, pokud je naše Země jedním z těl, bude síla jakéhokoli objektu v blízkosti zemského povrchu rovna:

F = G * M * m / R2 = m * g,

kde g = G * M / R2

Zde M je hmotnost planety, R je její poloměr (vzdálenost mezi tělem a středem Země je přibližně rovna poloměru této planety). Poslední výraz je matematická reprezentace množství, které se běžně nazývá tělesná hmotnost, tedy:

P = m * g

Výraz ukazuje, že ve fyzice je gravitace ekvivalentní tělesné hmotnosti. Hodnota P se měří s vědomím reakční síly nosiče, na kterém je tělo umístěno.

Reakční povrchová reakce

Proč lidé, domy a jiné předměty spadnou do země? Proč nepadne kniha na stole? Tyto a další podobné skutečnosti se vysvětlují existencí podpůrné reakční síly, která je často označována písmenem N. Jejich názvem je zřejmé, že je to charakteristický dopad na povrch těla, na kterém je umístěn.

Na základě poznamenaného faktu rovnováhy můžeme napsat výraz:

N = -P = -m * g

(pro horizontální polohu těla)

To znamená, že podpěrná síla je stejná jako hmotnost těla, jestliže je na vodorovném povrchu a opačné vůči ní ve směru. Pokud je tělo umístěno na nakloněné rovině, vypočítá se N pomocí trigonometrické funkce (sin (x) nebo cos (x)), protože P je vždy směřující do středu Země (dolů) a N je směrována kolmo k povrchové rovině (nahoru).

Pochopení příčiny síly N je mimo rámec klasické mechaniky. Stručně řečeno, je to přímý důsledek takzvaného principu zákazu Pauli. Podle něj dva elektrony nemohou být v jednom stavu. Tato skutečnost vede k tomu, že pokud jsou dva atomy spojeny dohromady, přes jejich 99% prázdnotu se elektronové skořápky nebudou moci navzájem pronikat a mezi nimi se objeví silné odpuzování.

Třecí síla

Ve fyzice je tento typ síly o nic méně častý než ty, které byly diskutovány výše. Při pohybu objektu se objevuje vždy tření. Obecně platí, že ve fyzice lze třecí sílu připsat jednomu ze tří typů:

• odpočinek;
• sklouznutí;
• válcování.

První dva typy jsou popsány následujícím výrazem:

F = μ * n

Zde μ je koeficient tření, jehož hodnota závisí jak na typu síly (klid nebo tření), tak i na materiálech třecích ploch.

Válcované tření, jehož živým příkladem je pohyblivé kolo, se vypočítá podle vzorce:

F = f * N / R

Zde R je poloměr kola, f je koeficient, který se liší od μ nejen hodnotou, ale i rozměrem (μ je bezrozměrný, f je měřeno v jednotkách délky).

Jakýkoliv typ třecí síly je vždy namířen proti pohybu přímo úměrný síle N a nezávisí na kontaktní ploše povrchu.

Důvodem vzniku tření mezi dvěma povrchy je přítomnost mikro-nehomogenity na nich, což vede k jejich "angažovanosti" jako malým hákům. Toto jednoduché vysvětlení je poměrně dobrá aproximace skutečného procesu, který je mnohem složitější a pro hluboké porozumění zahrnuje posouzení interakcí na atomových měřítkách.

Výše uvedené vzorce se týkají tření pevných látek. V případě tekutin (kapalin a plynů) je také přítomno tření, ale je již úměrné rychlosti objektu (čtverec rychlosti s rychlými pohyby).

Napínací síla

Co je síla ve fyzice při zvažování pohybu zboží pomocí lan, lan a kabelů? Říká se tahová síla. Obvykle se označuje písmenem T (viz obr. Výše).

Při zvažování fyzikálních problémů na síle napětí se často objevuje tak jednoduchý mechanismus jako blok. Umožňuje přesměrovat současnou sílu T. Speciální konstrukce z bloků poskytují zisk síly použité pro zvedání nákladu.

Fenomén elasticity

Pokud jsou deformace pevné látky malé (až 1%), pak po aplikaci vnější síly úplně zmizí. Během tohoto procesu dochází k deformaci, která vytváří takzvanou elastickou sílu. Pro jaro je tato hodnota popsána Hookovým zákonem. Odpovídající vzorec je:

F = -k * x

Zde x je množství přemístění pružiny z jejího rovnovážného stavu (absolutní deformace), k je koeficient. Značka mínus ve výrazu ukazuje, že elastická síla je namířena proti jakékoliv deformaci (napětí a stlačení), tj. Usiluje o obnovení rovnovážné polohy.

Fyzikální důvod vzhledu sil pružnosti a napětí je stejný, spočívá ve vzhledu přitažlivosti nebo odpuzování mezi atomy látky, když se změní rovnovážná vzdálenost mezi nimi.

Přitlačte sílu

Každý ví, že když vystřelíte z nějaké zbraně, existuje takzvaný odraz. To se projevuje tím, že zadní část pistole zasáhne rameno střelce a nádrž nebo zbraň se vrací, když projektil odchází z hlaveň. To jsou všechny projevy moci předávání. Vzorec je podobný tomu, který byl uveden na začátku článku při definování pojmu "síla".

Jak můžete odhadnout, důvodem pro vznik síl doručení je spuštění manifestu zákona zachování hybnosti systému. Takže kulka, která vystoupila z hlaveň zbraně, nese přesně stejný impuls, s jakým zadní část zasáhla šípku střelce, takže celkový objem pohybu zůstává konstantní (rovnající se nule pro relativně odpočívající systém).