Cos'è il potere in fisica? Il concetto e le formule di forza

Tutti i processi intorno a noi si verificano come risultato dell'azione di una forza fisica. Con la sua manifestazione, una persona si trova dappertutto, a cominciare dal fatto che deve applicare la forza per alzarsi dal letto al mattino e terminare con i movimenti di enormi oggetti spaziali. Questo articolo è dedicato alle domande su ciò che è forza in fisica e su quali tipi di esso esistono.

Concetto di potere

La domanda su quale forza è la fisica, iniziamo a considerare con la sua definizione. Sotto di esso è il valore in grado di modificare la quantità di movimento del corpo in questione. L'espressione matematica per questa definizione ha il seguente aspetto:

F¯ = dp¯ / dt

Qui dp è il cambiamento nella quantità di movimento (altrimenti è chiamato un impulso), dt è l'intervallo di tempo su cui cambia. Questo mostra che F¯ (force) è un vettore, cioè per definirlo, è necessario conoscere sia il modulo (valore assoluto) che la direzione della sua applicazione.

Come sapete, l'impulso è misurato in kg * m / s. Ciò significa che F¯ è calcolato in kg * m / s ² . Questa unità di misura è chiamata Newton (N) in SI. Poiché l'unità m / s ² è una misura della misurazione dell'accelerazione lineare nella meccanica classica, la 2a legge di Isaac Newton segue automaticamente la definizione di forza:

F¯ = m * a¯

In questa formula, a¯ = dv¯ / dt è l'accelerazione.

Questa formula della forza in fisica mostra che nella meccanica newtoniana il valore di F è caratterizzato dall'accelerazione, che può comunicare a un corpo con massa m.

Classificazione delle forze

Il tema della forza in fisica è piuttosto ampio, e su una considerazione dettagliata tocca concetti fondamentali sulla struttura della materia e sui processi che si verificano nell'Universo. In questo articolo non considereremo il concetto di forza relativistica (i processi che avvengono a velocità quasi della luce) e le forze nella meccanica quantistica, ma ci limitiamo alla sua descrizione per oggetti macroscopici, il cui movimento è determinato dalle leggi della meccanica classica.

Quindi, sulla base dell'osservazione quotidiana dei processi nella vita e nella natura, possiamo distinguere i seguenti tipi di forza:

• gravità (gravità);
• impatto di impatto;
• attrito;
• tensione;
• elasticità;
• tornare.

Aprendo la domanda su quale sia la forza della fisica, consideriamo ciascuno di questi tipi in modo più dettagliato.

Newton in tutto il mondo

In fisica, l'effetto della forza della forza si manifesta nell'attrazione di due oggetti con una massa finita. La gravità è abbastanza debole rispetto alle interazioni elettriche o nucleari. Si manifesta su scala cosmica (il movimento di pianeti, stelle, galassie).

Nel XVII secolo, Isaac Newton, studiando il movimento dei pianeti attorno al Sole, arrivò alla formulazione della legge, che è chiamata il mondo intero. In fisica, la formula per la forza di gravità è scritta come:

F = G * m ₁ * m ₂ / r ²

La formula consente di calcolare con quale forza vengono attratti due corpi di massa m ₁ * m ₂ , situati ad una distanza r l'uno dall'altro. Il valore G = 6.674 * 10 ^-11 N * m ² / kg ² è una costante.

Determinazione sperimentale del valore di G fu fatta solo alla fine del XVIII secolo da Henry Cavendish, che usò le scale di torsione nella sua esperienza. Questo esperimento ci ha permesso di determinare la massa del nostro pianeta.

Nella formula sopra, se la nostra Terra è uno dei corpi, allora la forza di qualsiasi oggetto vicino alla superficie terrestre sarà uguale a:

F = G * M * m / R ² = m * g,

dove g = G * M / R ²

Qui M è la massa del pianeta, R è il suo raggio (la distanza tra il corpo e il centro della Terra è approssimativamente uguale al raggio di quest'ultimo). L'ultima espressione è una rappresentazione matematica di una quantità comunemente chiamata peso corporeo, ovvero:

P = m * g

L'espressione mostra che, in fisica, la gravità è equivalente al peso corporeo. Il valore di P è misurato, conoscendo la forza di reazione del supporto su cui si trova il corpo.

Sostenere la reazione superficiale

Perché le persone, le case e altri oggetti cadono nel terreno? Perché il libro sul tavolo non cade? Questi e altri fatti simili sono spiegati dall'esistenza della forza di reazione di supporto, che è spesso indicata dalla lettera N. Con il suo nome, è chiaro che è una caratteristica dell'impatto sul corpo della superficie su cui si trova.

Sulla base del fatto noto dell'equilibrio, possiamo scrivere l'espressione:

N = -P = -m * g

(per una posizione orizzontale del corpo)

Cioè, la forza di supporto è uguale in grandezza al peso del corpo, se si trova su una superficie orizzontale e opposta ad essa in direzione. Se il corpo si trova su un piano inclinato, allora N viene calcolato usando la funzione trigonometrica (sin (x) o cos (x)), poiché P è sempre diretta verso il centro della Terra (in basso), e N è diretto perpendicolare al piano di superficie (su).

Comprendere la causa della forza N va oltre lo scopo della meccanica classica. In poche parole, diciamo che è una diretta conseguenza del cosiddetto principio del divieto di Pauli. Secondo questo, due elettroni non possono essere in uno stato. Questo fatto porta al fatto che se due atomi vengono riuniti, quindi, nonostante il loro vuoto del 99%, i gusci elettronici non saranno in grado di penetrarsi l'un l'altro, e tra di essi appare una forte repulsione.

Forza di attrito

In fisica, questo tipo di forza non è meno frequente di quelli discussi sopra. C'è sempre attrito quando l'oggetto inizia a muoversi. In generale, in fisica, la forza di attrito può essere attribuita a uno dei 3 tipi:

• riposo;
• scorrevoli;
• Rotolamento.

I primi due tipi sono descritti dalla seguente espressione:

F = μ * n

Qui μ è il coefficiente di attrito, il cui valore dipende sia dal tipo di forza (appoggio o frizione) sia dai materiali delle superfici di sfregamento.

L'attrito volvente, un vivido esempio di cui è una ruota mobile, è calcolato dalla formula:

F = f * N / R

Qui R è il raggio della ruota, f è un coefficiente che differisce da μ non solo in valore, ma anche in dimensione (μ è senza dimensione, f è misurato in unità di lunghezza).

Qualsiasi tipo di forza di attrito è sempre diretto contro il movimento, direttamente proporzionale alla forza N e non dipende dall'area di contatto delle superfici.

La ragione della comparsa di attrito tra due superfici è la presenza di micro-disomogeneità su di esse, che portano al loro "aggancio" come piccoli uncini. Questa semplice spiegazione è un'approssimazione abbastanza buona di un processo reale, che è molto più complesso, e per una comprensione profonda implica la considerazione delle interazioni sulle scale atomiche.

Le formule di cui sopra si riferiscono all'attrito dei solidi. Nel caso di sostanze fluide (liquidi e gas), è presente anche l'attrito, solo che risulta già proporzionale alla velocità dell'oggetto (quadrato di velocità con movimenti veloci).

Forza di tensione

Qual è la forza della fisica quando si considera il movimento di merci usando funi, funi e cavi? Si chiama forza di tensione. Di solito è indicato con la lettera T (vedere la figura sopra).

Quando si considerano i problemi della fisica sulla forza della tensione, spesso si presentano come un meccanismo semplice come un blocco. Ti permette di reindirizzare la forza attuale. T Le costruzioni speciali dai blocchi danno un guadagno nella forza applicata per il sollevamento del carico.

Fenomeno di elasticità

Se le deformazioni di un solido sono piccole (fino all'1%), dopo l'applicazione di una forza esterna scompaiono completamente. Durante questo processo, la deformazione funziona, creando una cosiddetta forza elastica. Per una primavera, questo valore è descritto dalla legge di Hooke. La formula corrispondente è:

F = -k * x

Qui x è la quantità di spostamento della molla dal suo stato di equilibrio (deformazione assoluta), k è un coefficiente. Il segno meno nell'espressione mostra che la forza elastica è diretta contro qualsiasi deformazione (tensione e compressione), cioè, cerca di ripristinare la posizione di equilibrio.

La ragione fisica dell'apparizione delle forze di elasticità e tensione è la stessa: si trova nell'aspetto di attrazione o repulsione tra gli atomi di una sostanza quando la distanza di equilibrio tra di loro cambia.

Forza di rinculo

Tutti sanno che quando si spara da qualsiasi arma da fuoco esiste un cosiddetto rinculo. Si manifesta nel fatto che il calcio della pistola colpisce la spalla del tiratore, e il carro armato o la pistola rotola indietro quando il proiettile si allontana dalla canna. Queste sono tutte manifestazioni del potere della dazione. La formula per esso è simile a quella che è stata data all'inizio dell'articolo quando si definisce il concetto di "forza".

Come puoi immaginare, la ragione dell'apparizione delle forze di conferimento risiede nella manifestazione della legge di conservazione della quantità di moto del sistema. Quindi, il proiettile che è decollato dalla canna della pistola porta esattamente lo stesso impulso con cui il calcio colpisce la freccia del tiratore, di conseguenza la quantità totale di movimento rimane costante (uguale a zero per un sistema relativamente stazionario).