Što je moć u fizici? Pojam i formule sile

Svi procesi oko nas nastaju kao posljedica djelovanja fizičke sile. Sa svojom manifestacijom, osoba se svugdje nalazi, počevši od činjenice da mora primijeniti silu kako bi ujutro ustao iz kreveta i završio pokretima masivnih svemirskih objekata. Ovaj je članak posvećen pitanjima o tome što je sila u fizici i koje vrste ona postoji.

Pojam moći

Pitanje o tome što je sila u fizici počinjemo razmatrati s njezinom definicijom. Ispod njega je vrijednost koja može promijeniti količinu kretanja dotičnog tijela. Matematički izraz za ovu definiciju izgleda ovako:

F¯ = dp¯ / dt

Ovdje dp je promjena količine gibanja (inače se zove puls), dt je vremenski interval preko kojeg se mijenja. To pokazuje da je F¯ (sila) vektor, to jest, da bi ga se odredilo, potrebno je znati i modul (apsolutnu vrijednost) i smjer njegove primjene.

Kao što znate, puls se mjeri u kg * m / s. To znači da je Fp izračunat u kg * m / s ² . Ova mjerna jedinica zove se Newton (N) u SI. Budući da je jedinica m / s ² mjera mjerenja linearnog ubrzanja u klasičnoj mehanici, drugi zakon Isaaca Newtona automatski slijedi iz definicije sile:

F¯ = m * a¯

U ovoj formuli, a¯ = dv¯ / dt je ubrzanje.

Ova formula sile u fizici pokazuje da je u Newtonovoj mehanici vrijednost Fp karakterizirana ubrzanjem, koje može komunicirati s tijelom s masom m.

Klasifikacija snaga

Tema sile u fizici je prilično široka i nakon detaljnog razmatranja dotiče se temeljnih pojmova o strukturi materije i procesima koji se događaju u svemiru. U ovom članku nećemo razmatrati koncept relativističke sile (procesi koji se odvijaju pri gotovo svjetlosnim brzinama) i sile u kvantnoj mehanici, već ćemo se ograničiti na njegov opis za makroskopske objekte čije se kretanje određuje zakonima klasične mehanike.

Dakle, na temelju svakodnevnog promatranja procesa u životu i prirodi, možemo razlikovati sljedeće vrste sile:

• gravitacije (težinski);
• utjecaj temelja;
• trenja;
• napetost;
• elastičnost;
• povratak.

Otvarajući pitanje što je sila u fizici, svaki od ovih tipova razmatramo detaljnije.

U svijetu Newton

U fizici se učinak sile sile očituje u privlačenju dvaju objekata s konačnom masom. Gravitacija je dovoljno slaba u usporedbi s električnim ili nuklearnim interakcijama. Ona se manifestira na kozmičkoj skali (kretanje planeta, zvijezda, galaksija).

U XVII. Stoljeću Isaac Newton, proučavajući kretanje planeta oko Sunca, došao je do formulacije zakona, koji se naziva širom svijeta. U fizici, formula za silu gravitacije zapisana je kao:

F = G * m ₁ x m ₂ / r ²

Formula omogućuje izračunavanje s kojom silom privlače dva tijela mase ₁ x m ₂ , smještena na međusobnoj udaljenosti r. Vrijednost G = 6,674 * 10 ^-11 N * m ² / kg ² je konstanta.

Eksperimentalno određivanje vrijednosti G napravila je tek krajem XVIII. Stoljeća Henry Cavendish, koji je u svom iskustvu koristio torzijske vage. Ovaj eksperiment nam je omogućio da odredimo masu našeg planeta.

U gornjoj formuli, ako je naša Zemlja jedno od tijela, tada će sila bilo kojeg objekta u blizini Zemljine površine biti jednaka:

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

gdje je g = G * M / R2

Ovdje je M masa planeta, R je njegov radijus (udaljenost između tijela i središta Zemlje približno je jednaka radijusu posljednjeg). Zadnji izraz je matematički prikaz količine koja se obično naziva tjelesna težina, to jest:

P = m * g

Izraz pokazuje da je u fizici gravitacija ekvivalentna tjelesnoj težini. Mjeri se vrijednost P, znajući reakcijsku silu nosača na kojem se tijelo nalazi.

Reakcija površine podloge

Zašto ljudi, kuće i drugi predmeti padaju u zemlju? Zašto knjiga na stolu ne pada? Ove i druge slične činjenice objašnjavaju se postojanjem sile reakcije potpore, koja se često označava slovom N. Po njezinu imenu, jasno je da je to obilježje utjecaja na tijelo površine na kojoj se nalazi.

Na temelju uočene činjenice ravnoteže, možemo napisati izraz:

N = -P = -m * g

(za položaj vodoravnog tijela)

To jest, potporna sila je jednaka u odnosu na težinu tijela, ako je na vodoravnoj površini i nasuprot njoj u smjeru. Ako je tijelo smješteno na nagnutoj ravnini, tada se izračunava N pomoću trigonometrijske funkcije (sin (x) ili cos (x)), budući da je P uvijek usmjeren prema središtu Zemlje (dolje), a N je usmjeren okomito na površinsku ravninu (gore).

Razumijevanje uzroka sile N je izvan dosega klasične mehanike. Ukratko, kažemo da je to izravna posljedica takozvanog Paulijeva načela zabrane. Prema tome, dva elektrona ne mogu biti u jednom stanju. Ta činjenica dovodi do činjenice da, ako se dva atoma spoje, tada, unatoč njihovoj 99% praznini, elektronske ljuske neće moći prodrijeti jedna u drugu, a među njima se pojavljuje jaka odbojnost.

Sila trenja

U fizici, ova vrsta sile nije ništa rjeđa od onih o kojima smo raspravljali gore. Uvijek postoji trenje kada se objekt kreće. Općenito, u fizici, sila trenja može se pripisati jednom od tri tipa:

• odmoriti;
• klizna;
• Rolling.

Prve dvije vrste opisane su sljedećim izrazom:

F = μ * n

Ovdje μ je koeficijent trenja, čija vrijednost ovisi o vrsti sile (mirovanje ili trenje) i o materijalima trljanja.

Trenje valjanja, koji je živopisan primjer pokretnog kotača, izračunava se pomoću formule:

F = f * N / R

Ovdje je R polumjer kotača, f je koeficijent koji se razlikuje od μ ne samo po vrijednosti, već i po dimenziji (μ je bezdimenzionalna, f se mjeri u jedinicama duljine).

Bilo koja vrsta sile trenja uvijek je usmjerena na kretanje, izravno proporcionalno sili N i ne ovisi o kontaktnoj površini površina.

Razlog za pojavu trenja između dviju površina je postojanje mikro-nehomogenosti na njima, što dovodi do njihovog "zahvaćanja" poput malih kuka. Ovo jednostavno objašnjenje je prilično dobra aproksimacija procesa stvarnog života, koji je mnogo složeniji, a za duboko razumijevanje uključuje razmatranje interakcija na atomskoj skali.

Gornje formule odnose se na trenje krutina. U slučaju tekućih tvari (tekućina i plinova) prisutno je i trenje, samo što je već proporcionalno brzini objekta (kvadrat brzine s brzim kretanjima).

Sila napetosti

Što je sila u fizici pri razmatranju kretanja robe pomoću užadi, užadi i kablova? To se zove sila napetosti. Obično se označava slovom T (vidi sliku iznad).

Kada se razmatraju problemi fizike na sili napetosti, tada se često javlja tako jednostavan mehanizam kao blok. To vam omogućuje preusmjeravanje trenutne sile T. Posebne konstrukcije iz blokova daju dobit u sili koja se primjenjuje za podizanje tereta.

Fenomen elastičnosti

Ako su deformacije krute tvari male (do 1%), nakon primjene vanjske sile potpuno nestaju. Tijekom tog procesa deformacija djeluje, stvarajući takozvanu elastičnu silu. Za proljeće, ova vrijednost je opisana Hookeovim zakonom. Odgovarajuća formula je:

F = -k * x

Ovdje x predstavlja količinu pomaka opruge iz njegovog ravnotežnog stanja (apsolutna deformacija), k je koeficijent. Znak minus u izrazu pokazuje da je elastična sila usmjerena protiv bilo kakve deformacije (napetosti i kompresije), odnosno da nastoji vratiti ravnotežni položaj.

Fizički razlog za pojavu sila elastičnosti i napetosti je isti, leži u pojavi privlačenja ili odbijanja između atoma tvari kada se mijenja ravnotežna udaljenost između njih.

Usmjerite snagu

Svatko zna da se pri ispaljivanju iz bilo kojeg vatrenog oružja javlja tzv. To se očituje u činjenici da stražnjica pištolja udari u rame strijelca, a spremnik ili pištolj se vraća kada projektil ode iz cijevi. To su sve manifestacije moći darivanja. Formula za to je slična onoj koja je dana na početku članka pri definiranju pojma "sila".

Kao što možete pretpostaviti, razlog pojave sila darivanja leži u ispoljavanju zakona očuvanja zamaha sustava. Dakle, metak koji je skinuo iz cijevi pištolja nosi točno isti impuls kojim stražnjica udara u strijelu strijelca, tako da ukupna količina kretanja ostaje konstantna (jednaka nuli za relativno odmarajući sustav).