Kaj je moč v fiziki? Koncept in formule sile

Vsi procesi okoli nas se pojavijo kot posledica delovanja fizične sile. S svojo manifestacijo se človek najde povsod, začenši z dejstvom, da mora uporabiti silo, da se zjutraj ustvari iz postelje in konča s premiki masivnih vesoljskih objektov. Ta članek je namenjen vprašanjem, kaj je sila v fiziki in kakšne vrste obstajajo.

Koncept moči

Vprašanje, kaj je sila v fiziki, začnemo razmišljati z njeno definicijo. Pod njim je vrednost, ki lahko spremeni količino gibanja zadevnega telesa. Matematični izraz za to definicijo izgleda takole:

F¯ = dp¯ / dt

Tu je dp sprememba količine gibanja (sicer se imenuje pulz), dt je časovni interval, po katerem se spreminja. To kaže, da je F¯ (sila) vektor, to je, da ga definiramo, je potrebno poznati modul (absolutno vrednost) in smer njegove uporabe.

Kot veste, se pulz meri v kg * m / s. To pomeni, da je Fp izračunan v kg * m / s ² . Ta merska enota se imenuje Newton (N) v SI. Ker je enota m / s ² merilo merjenja linearnega pospeška v klasični mehaniki, 2. zakon Isaaca Newtona samodejno sledi definiciji sile:

F¯ = m * a¯

V tej formuli je a¯ = dv¯ / dt pospešek.

Ta formula sile v fiziki kaže, da je v newtonski mehaniki vrednost Fp značilna pospešek, ki ga lahko sporoči telesu z maso m.

Razvrstitev sil

Tema sile v fiziki je precej široka in ob podrobnem premisleku se dotika temeljnih pojmov o strukturi snovi in ​​o procesih, ki se pojavljajo v vesolju. V tem članku ne bomo obravnavali koncepta relativistične sile (procesi, ki se odvijajo pri skoraj svetlobnih hitrostih) in sile v kvantni mehaniki, temveč se bomo omejili na njen opis za makroskopske objekte, katerih gibanje je določeno z zakoni klasične mehanike.

Tako lahko na podlagi vsakodnevnega opazovanja procesov v življenju in naravi ločimo naslednje vrste sile:

• (težka);
• vpliv na podlago;
• trenje;
• napetosti;
• elastičnost;
• povratni udarec.

Odprtje vprašanja, kaj je sila v fiziki, podrobneje obravnavamo vsakega od teh tipov.

Po svetu Newton

V fiziki se učinek sile sile manifestira v privlačnosti dveh objektov s končno maso. Gravitacija je v primerjavi z električnimi ali jedrskimi interakcijami dovolj šibka. Pokaže se na kozmičnem merilu (gibanje planetov, zvezd, galaksij).

V XVII. Stoletju je Isaac Newton, ki proučuje gibanje planetov okoli Sonca, prišel do oblikovanja zakona, ki se imenuje svet. V fiziki je formula za silo gravitacije zapisana kot:

F = G * m ₁ * m ₂ / r ²

Formula vam omogoča, da izračunate, s kakšno silo privlačijo dva telesa mase m ₁ * m ₂ , ki se nahajajo na razdalji r drug od drugega. Vrednost G = 6,674 * 10 ^-11 N * m ² / kg ² je konstanta.

Eksperimentalno določanje vrednosti G je naredil šele ob koncu XVIII. Stoletja Henry Cavendish, ki je v svojih izkušnjah uporabljal torzijske tehtnice. Ta poskus nam je omogočil, da določimo maso našega planeta.

V zgornji formuli, če je naša Zemlja eno od teles, bo sila katerega koli predmeta v bližini Zemljine površine enaka:

F = G * M * m / R ² = m * g,

kjer je g = G * M / R2

Tu je M masa planeta, R je njegov polmer (razdalja med telesom in središčem Zemlje je približno enaka polmeru slednjega). Zadnji izraz je matematična predstavitev količine, ki se običajno imenuje telesna teža, to je:

P = m * g

Izraz kaže, da je v fiziki gravitacija enakovredna telesni teži. Vrednost P se izmeri, saj vemo, kakšna je reakcijska sila nosilca, na katerem je telo.

Reakcija površinske podpore

Zakaj ljudje, hiše in drugi predmeti padejo v zemljo? Zakaj knjiga na mizi ne pade? Ta in druga podobna dejstva so pojasnjena z obstojem podporne reakcijske sile, ki jo pogosto označuje črka N. Po njenem imenu je jasno, da je to značilnost vpliva na telo površine, na kateri se nahaja.

Na podlagi ugotovljenega dejstva ravnovesja lahko napišemo izraz:

N = -P = -m * g

(za vodoravni položaj telesa)

To pomeni, da je podporna sila enaka po velikosti telesni teži, če je na vodoravni površini in nasproti nje v smeri. Če se telo nahaja na nagnjeni ravnini, se N izračuna z uporabo trigonometrične funkcije (sin (x) ali cos (x)), ker je P vedno usmerjen v središče Zemlje (navzdol) in je N usmerjen pravokotno na ravnino (navzgor).

Razumevanje vzroka sile N presega področje klasične mehanike. Na kratko, rečemo, da je to neposredna posledica tako imenovanega načela prepovedi Paulija. Glede na to, dva elektrona ne moreta biti v enem stanju. To dejstvo vodi k dejstvu, da če se dva atoma združita, potem elektronske lupine kljub njihovi 99-odstotni praznini ne bodo mogle medsebojno prodreti in med njimi se bo pojavila močna odbojnost.

Sila trenja

V fiziki ta vrsta sile ni nič manj pogosta od zgoraj opisanih. Ko se predmet začne premikati, je vedno trenje. Na splošno lahko v fiziki sile trenja pripišemo enemu od treh tipov:

• počitek;
• zdrs;
• valjanje.

Prvi dve vrsti sta opisani z naslednjim izrazom:

F = μ * n

Tu je μ koeficient trenja, katerega vrednost je odvisna tako od vrste sile (mirovanja ali trenja) kot tudi od materialov drgnih površin.

Tlačno nihanje, živahen primer katerega je gibljivo kolo, se izračuna po formuli:

F = f * N / R

Tu je R polmer kolesa, f koeficient, ki se od μ ne razlikuje samo po vrednosti, temveč tudi po dimenziji (μ je brez dimenzij, f se meri v enotah dolžine).

Vsaka vrsta sile trenja je vedno usmerjena proti gibanju, ki je neposredno sorazmerna sili N in ni odvisna od kontaktne površine površin.

Razlog za pojav trenja med dvema površinama je prisotnost mikro-nehomogenosti na njih, kar vodi do njihovega »vpetja«, kot so majhni kavlji. Ta preprosta razlaga je precej dober približek procesa v resničnem življenju, ki je veliko bolj zapleten in za poglobljeno razumevanje vključuje obravnavo interakcij na atomskih lestvicah.

Zgornje formule se nanašajo na trenje trdnih snovi. Pri tekočih snoveh (tekočinah in plinih) je prisotno tudi trenje, le da je že sorazmerno s hitrostjo objekta (kvadrat hitrosti s hitrimi premiki).

Napetostna sila

Kaj je sila v fiziki pri premikanju blaga s pomočjo vrvi, vrvi in ​​kablov? Imenuje se napetostna sila. Običajno je označena s črko T (glej sliko zgoraj).

Pri obravnavi fizikalnih problemov na silo napetosti se pogosto pojavlja tako preprost mehanizem kot blok. Omogoča vam preusmeritev trenutne sile T. Posebne konstrukcije iz blokov dajejo prednost moči, ki se uporablja za dviganje tovora.

Pojav elastičnosti

Če so deformacije trdne snovi majhne (do 1%), potem po uporabi zunanje sile popolnoma izginejo. Med tem postopkom deformacija deluje in ustvarja tako imenovano elastično silo. Za pomlad to vrednost opisuje Hookejev zakon. Ustrezna formula je:

F = -k * x

Tu je x količina premika vzmeti iz njenega ravnovesnega stanja (absolutna deformacija), k je koeficient. Znak minus v izrazu kaže, da je elastična sila usmerjena proti kakršni koli deformaciji (napetosti in stiskanju), torej želi obnoviti ravnotežni položaj.

Fizični razlog za pojav sile elastičnosti in napetosti je enak, leži v videzu privlačnosti ali odbijanja med atomi snovi, ko se spreminja ravnotežna razdalja med njimi.

Vnovična sila

Vsi vemo, da je pri streljanju iz katerega koli strelnega orožja prišlo do tako imenovanega odboja. To se kaže v dejstvu, da je zadnjica pištole udari ramo strelca, in tank ali pištolo zvitki nazaj, ko projektil odstopi od sod. To so vse manifestacije moči dajanja. Formula za to je podobna tisti, ki je bila podana na začetku članka pri opredelitvi pojma "sila".

Kot lahko ugibate, je razlog za pojav sile podelitve v manifestaciji zakona ohranjanja zagona sistema. Torej, krogla, ki je vzletela iz cevi pištole, nosi natanko enak impulz, s katerim zadnjica zadene puščico strelca, zato skupna količina gibanja ostaja konstantna (enaka nič za relativno stacionarni sistem).