Ορισμός της Δύναμης στη Φυσική

Η Δύναμη είναι μια ποσοτική περιγραφή μιας αλληλεπίδρασης που προκαλεί αλλαγή στην κίνηση ενός αντικειμένου. Ένα αντικείμενο μπορεί Ταχύτητα πάνω, επιβράδυνση ή αλλαγή κατεύθυνσης σε απόκριση δύναμης. Με άλλα λόγια, η δύναμη είναι οποιαδήποτε ενέργεια που τείνει να διατηρεί ή να μεταβάλλει την κίνηση ενός σώματος ή να την παραμορφώνει. Τα αντικείμενα ωθούνται ή τραβούνται από δυνάμεις που ενεργούν πάνω τους.

Η δύναμη επαφής ορίζεται ως η δύναμη που ασκείται όταν δύο φυσικά αντικείμενα έρχονται σε άμεση επαφή μεταξύ τους. Άλλες δυνάμεις, όπως η βαρύτητα και οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, μπορούν να ασκηθούν ακόμη και στο κενό κενό του χώρου.

Βασικές επιλογές: Βασικοί όροι

Η Δύναμη είναι ένα διάνυσμα; έχει κατεύθυνση και μέγεθος. Η μονάδα SI για δύναμη είναι το Newton (N). Ένα newton of force είναι ίσο με 1 kg * m / s2 (όπου το σύμβολο "*" σημαίνει "φορές").

Η δύναμη είναι ανάλογη με αυτήν επιτάχυνση, που ορίζεται ως ο ρυθμός μεταβολής της ταχύτητας. Σε όρους λογισμού, η δύναμη είναι το παράγωγο της ορμής σε σχέση με το χρόνο.

Υπάρχουν δύο τύποι δυνάμεων στο σύμπαν: επαφή και μη επαφή. Οι δυνάμεις επαφής, όπως υποδηλώνει το όνομα, πραγματοποιούνται όταν τα αντικείμενα αγγίζουν το ένα το άλλο, όπως το κλοτσιές μιας μπάλας: Ένα αντικείμενο (το πόδι σας) αγγίζει το άλλο αντικείμενο (η μπάλα). Οι δυνάμεις χωρίς επαφή είναι εκείνες όπου τα αντικείμενα δεν αγγίζουν το ένα το άλλο.

Οι δυνάμεις επαφής μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με έξι διαφορετικούς τύπους:

• Τρισδιάστατο: όπως ένα κορδόνι που τραβάται σφιχτά
• Ανοιξη: όπως η δύναμη που ασκείται όταν συμπιέζετε τα δύο άκρα ενός ελατηρίου
• Κανονική αντίδραση: όπου ένα σώμα παρέχει μια αντίδραση σε μια δύναμη που ασκείται πάνω του, όπως μια μπάλα που αναπηδά σε ένα blacktop
• Τριβή: η δύναμη που ασκείται όταν ένα αντικείμενο κινείται πέρα ​​από ένα άλλο, όπως μια μπάλα που κυλά πάνω από ένα blacktop
• Τριβή αέρα: η τριβή που συμβαίνει όταν ένα αντικείμενο, όπως μια μπάλα, κινείται μέσω του αέρα
• Βάρος: όπου ένα σώμα τραβιέται προς το κέντρο της Γης λόγω της βαρύτητας

Οι δυνάμεις χωρίς επαφή μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τρεις τύπους:

• Βαρυτική: που οφείλεται στη βαρυτική έλξη μεταξύ δύο σωμάτων
• Ηλεκτρικός: που οφείλεται στα ηλεκτρικά φορτία που υπάρχουν σε δύο σώματα
• Μαγνητικός: που συμβαίνει λόγω των μαγνητικών ιδιοτήτων δύο σωμάτων, όπως οι αντίθετοι πόλοι δύο μαγνητών που έλκονται ο ένας στον άλλο

Η έννοια της δύναμης ορίστηκε αρχικά από Σερ Ισαάκ Νιούτον στο δικό του τρεις νόμους κίνησης. Αυτός εξήγησε βαρύτητα ως μια ελκυστική δύναμη μεταξύ των σωμάτων που κατείχαν μάζα. Ωστόσο, η βαρύτητα μέσα Η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν δεν απαιτεί δύναμη.

Ο πρώτος νόμος της κίνησης του Νεύτωνα λέει ότι ένα αντικείμενο θα συνεχίσει να κινείται με σταθερή ταχύτητα, εκτός εάν επιδρά από εξωτερική δύναμη. Τα αντικείμενα σε κίνηση παραμένουν σε κίνηση έως ότου μια δύναμη ενεργεί πάνω τους. Αυτό είναι αδράνεια. Δεν θα επιταχύνουν, θα επιβραδύνουν ή θα αλλάξουν κατεύθυνση μέχρι να δράσει κάτι πάνω τους. Για παράδειγμα, αν σύρετε ένα χόκεϊ ξωτικό, θα σταματήσει τελικά λόγω τριβής στον πάγο.

Ο δεύτερος νόμος της κίνησης του Νεύτωνα λέει ότι η δύναμη είναι άμεσα ανάλογη με την επιτάχυνση (ο ρυθμός αλλαγής της ορμής) για μια σταθερή μάζα. Εν τω μεταξύ, η επιτάχυνση είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη μάζα. Για παράδειγμα, όταν ρίχνετε μια μπάλα που ρίχνεται στο έδαφος, ασκεί μια προς τα κάτω δύναμη. το έδαφος, σε απόκριση, ασκεί μια ανοδική δύναμη προκαλώντας την αναπήδηση της μπάλας. Αυτός ο νόμος είναι χρήσιμος για τη μέτρηση δυνάμεων. Εάν γνωρίζετε δύο από τους παράγοντες, μπορείτε να υπολογίσετε τον τρίτο. Γνωρίζετε επίσης ότι εάν ένα αντικείμενο επιταχύνεται, πρέπει να υπάρχει δύναμη που να ενεργεί πάνω του.

Ο τρίτος νόμος της κίνησης του Νεύτωνα σχετίζεται με αλληλεπιδράσεις μεταξύ δύο αντικειμένων. Λέει ότι για κάθε δράση υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση. Όταν μια δύναμη εφαρμόζεται σε ένα αντικείμενο, έχει την ίδια επίδραση στο αντικείμενο που παρήγαγε τη δύναμη αλλά στην αντίθετη κατεύθυνση. Για παράδειγμα, εάν πηδήξετε από ένα μικρό σκάφος στο νερό, η δύναμη που χρησιμοποιείτε για να πηδήξετε προς τα εμπρός στο νερό θα ωθήσει επίσης το σκάφος προς τα πίσω. Οι δυνάμεις δράσης και αντίδρασης συμβαίνουν ταυτόχρονα.

Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που διέπουν τις αλληλεπιδράσεις των φυσικών συστημάτων. Οι επιστήμονες συνεχίζουν να ακολουθούν μια ενοποιημένη θεωρία αυτών των δυνάμεων:

1. Ελξη της βαρύτητος: η δύναμη που δρα μεταξύ των μαζών. Όλα τα σωματίδια βιώνουν τη δύναμη της βαρύτητας. Εάν κρατάτε μια μπάλα ψηλά στον αέρα, για παράδειγμα, η μάζα της Γης επιτρέπει στην μπάλα να πέσει λόγω της βαρύτητας. Ή αν ένα μωρό πουλί σέρνεται από τη φωλιά του, η βαρύτητα από τη Γη θα το τραβήξει στο έδαφος. Ενώ το graviton έχει προταθεί ως σωματίδιο που μεσολαβεί στη βαρύτητα, δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί.

2. Ηλεκτρομαγνητικός: η δύναμη που δρα μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων. Το μεσολαβητικό σωματίδιο είναι το φωτόνιο. Για παράδειγμα, ένα μεγάφωνο χρησιμοποιεί την ηλεκτρομαγνητική δύναμη για να διαδώσει τον ήχο, και ένα σύστημα κλειδώματος πόρτας τράπεζας χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις για να βοηθήσει να κλείσει σφιχτά τις πόρτες του θησαυρού. Τα κυκλώματα ισχύος σε ιατρικά όργανα όπως η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, όπως και τα μαγνητικά συστήματα ταχείας διέλευσης στην Ιαπωνία και την Κίνα - που ονομάζονται "maglev" για μαγνητική ανύψωση.

3. Ισχυρό πυρηνικό: η δύναμη που συγκρατεί τον πυρήνα του ατόμου μαζί, με τη μεσολάβηση γλουόνων που δρουν κουάρκ, antiquark, και τα ίδια τα gluons. (Το gluon είναι ένα σωματίδιο αγγελιοφόρου που δεσμεύει τα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα κουάρκ είναι θεμελιώδη σωματίδια που συνδυάζονται για να σχηματίσουν πρωτόνια και νετρόνια, ενώ τα αντι-κουάρκ είναι όμοια με τα κουάρκ σε μάζα αλλά αντίθετα σε ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες.)

4. Αδύναμο πυρηνικό: τη δύναμη που διαμεσολαβείται με την ανταλλαγή W και Z μποζόνια και εμφανίζεται σε βήτα διάσπαση των νετρονίων στον πυρήνα. (Το μποζόνιο είναι ένας τύπος σωματιδίου που συμμορφώνεται με τους κανόνες των στατιστικών Bose-Einstein.) Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, η ασθενής δύναμη και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι αδιάκριτες.