přehled
fyzika definuje sílu jako vliv, který mění pohyb těla, ať už je to vnější pohyb nebo pohyb v těle, jako je změna jeho tvaru. Například, když se kámen uvolní, spadne, protože je tažen gravitační silou země. Během nárazu ohýbá stébla trávy — na kterou padá-síla hmotnosti kamene je nutí pohybovat se a měnit svůj tvar.
síla je vektor, což znamená, že má směr. Když několik sil působí na objekt a táhne ho různými směry, mohou být tyto síly v rovnováze, což znamená, že jejich vektorový součet je nulový. V tomto případě by byl objekt v klidu. Kámen z dřívějšího příkladu se může po dopadu na zem valit, ale nakonec se zastaví. Gravitační síla ji stále táhne dolů, ale zároveň normální síla nebo zemní reakční síla tlačí kámen nahoru. Čistý součet těchto sil je nulový, jsou v rovnováze a kámen se nepohybuje.
jednotkou síly SI je newton. Jeden newton odpovídá čisté síle, která urychluje objekt o hmotnosti jednoho kilogramu o jeden metr za sekundu na druhou.
rovnováha
jedním z prvních vědců, kteří zkoumali síly a vytvořili model jejich interakce s hmotou ve vesmíru, byl Aristoteles. Podle jeho modelu, pokud je čistý vektorový součet sil působících na objekt nulový, jsou síly ve stavu rovnováhy a objekt je stacionární. Tento model byl později korigován tak, aby zahrnoval objekty pohybující se konstantní rychlostí, když jsou síly v rovnováze. Tento typ rovnováhy se nazývá dynamická rovnováha, zatímco ta s objektem v klidu se nazývá statická rovnováha.
základní síly ve vesmíru
síly v přírodě způsobují, že se objekty pohybují nebo zůstávají na svém místě. V přírodě existují čtyři základní síly: silné, elektromagnetické, slabé a gravitační. Všechny ostatní síly jsou podmnožiny těchto čtyř. Na rozdíl od elektrických a gravitačních sil ovlivňují silné a slabé síly hmotu pouze na jaderné úrovni. Nepracují na velké vzdálenosti.
silná síla
silná síla je nejsilnější ze čtyř sil. Působí na prvky jádra atomu a udržuje neutrony a protony pohromadě. Tato síla je nesena gluony a váže kvarky dohromady za vzniku větších částic. Kvarky tvoří neutrony, protony a další větší částice. Gluony jsou menší elementární částice, které nemají spodní konstrukci a pohybují se mezi kvarky jako nosiče síly. Pohyb gluonů vytváří silnou sílu mezi kvarky. To je síla, která tvoří hmotu ve vesmíru.
elektromagnetická síla
elektromagnetická síla je druhou nejsilnější silou. Jedná se o interakci mezi částicemi s opačnými nebo stejnými elektrickými náboji. Když mají dvě částice stejný náboj, to znamená, že jsou oba pozitivní nebo oba negativní, odpuzují se navzájem. Pokud mají naopak opačný náboj, kde je jeden pozitivní a druhý negativní, jsou navzájem přitahováni. Tento pohyb částic, které jsou odpuzovány nebo přitahovány k jiným částicím, je elektřina-fyzikální jev, který používáme v našem každodenním životě a ve většině technologií.
elektromagnetická síla může odpovídat za chemické reakce, světlo a elektřinu, stejně jako interakce mezi molekulami, atomy a elektrony. Tyto interakce mezi částicemi jsou zodpovědné za tvary, které pevné objekty berou ve světě. Elektromagnetická síla zabraňuje vzájemnému pronikání dvou pevných objektů, protože elektrony v jednom objektu odpuzují elektrony stejného náboje druhého objektu. Historicky byly elektrické a magnetické síly považovány za samostatné vlivy, ale nakonec, bylo zjištěno, že spolu souvisejí. Většina objektů má neutrální náboj, ale je možné změnit náboj objektu třením dvou objektů dohromady. Elektrony budou cestovat mezi těmito dvěma materiály a budou přitahovány k opačně nabitým elektronům v jiném materiálu. To ponechá více stejných nábojových elektronů na povrchu každého objektu, čímž se celkově změní dominantní náboj objektu. Například, pokud si člověk otírá vlasy svetrem a pak zvedne svetr pryč, vlasy se postaví a“ následují “ svetr. Je to proto, že elektrony na povrchu vlasů jsou přitahovány více k atomům na povrchu svetru než elektrony na povrchu svetru jsou přitahovány k atomům na povrchu vlasů. Vlasy nebo jiné podobně nabité předměty budou také přitahovány k neutrálně nabitým povrchům.
slabá síla
slabá síla je slabší než elektromagnetická. Stejně jako gluony nesou silnou sílu, bosony W A Z nesou slabou sílu. Jsou to elementární částice, které jsou emitovány nebo absorbovány. W bosony usnadňují proces radioaktivního rozpadu, zatímco z bosony neovlivňují částice, se kterými přicházejí do styku, kromě přenosu hybnosti. Uhlík chodit s někým, proces určování stáří organické hmoty, je možné kvůli slabé síle. Používá se ke stanovení věku historických artefaktů a je založen na hodnocení rozpadu uhlíku přítomného v této organické hmotě.
Gravitační Síla
gravitační síla je nejslabší ze čtyř. Udržuje astronomické objekty na svých pozicích ve vesmíru, je zodpovědný za příliv a odliv a způsobuje, že objekty při uvolnění padnou na zem. Je to síla, která působí na objekty a přitahuje je k sobě. Síla této přitažlivosti se zvyšuje s hmotností objektu. Stejně jako ostatní síly se předpokládá, že jsou zprostředkovány částicemi, gravitony, ale tyto částice ještě nebyly detekovány. Gravitace ovlivňuje pohyb astronomických objektů a pohyb lze vypočítat na základě hmotnosti okolních objektů. Tato závislost umožnila vědcům předpovědět Neptunovu existenci sledováním pohybu uranu před tím, než byl Neptun viděn v dalekohledu. Bylo to proto, že pohyb uranu byl v rozporu s jeho předpokládaným pohybem, založeným na astronomických objektech známých v té době, proto vědci odvodili, že jiná planeta, dosud neviditelná, musí ovlivňovat její pohybové vzorce.
podle teorie relativity mění gravitace také časoprostorové kontinuum, čtyřrozměrný prostor, ve kterém existuje vše, včetně lidí. Podle této teorie se zakřivení prostoročasu zvyšuje s hmotností, a proto je snazší si všimnout objektů velkých jako planety nebo větší v hmotě. Toto zakřivení bylo experimentálně prokázáno a lze jej vidět, když jsou porovnány dvě synchronizované hodiny, kde jeden je stacionární a jeden se pohybuje po značné vzdálenosti podél těla s velkou hmotností. Například, pokud se hodiny pohybují kolem oběžné dráhy Země, jako v experimentu Hafele-Keating, pak čas, který ukazuje, bude za stacionárními hodinami, protože zakřivení časoprostoru způsobí, že čas běží pomaleji pro hodiny v pohybu.
gravitační síla způsobuje zrychlení objektů při pádu směrem k jinému objektu, což je patrné, když je rozdíl v hmotnosti mezi nimi velký. Toto zrychlení lze vypočítat na základě hmotnosti objektů. U objektů padajících k Zemi je to asi 9,8 metrů za sekundu na druhou.
přílivy
přílivy jsou příklady gravitační síly v akci. Jsou způsobeny gravitačními silami Měsíce, Slunce a země. Na rozdíl od pevných předmětů může voda snadno změnit tvar, když na ni působí síly. Proto když gravitační síly Měsíce a slunce působí na Zemi, povrch země se těmito silami netáhne tolik jako voda. Měsíc a Slunce se pohybují po obloze a voda na Zemi je sleduje a způsobuje příliv. Síly, které působí na vodu, se nazývají přílivové síly; jsou to různé gravitační síly. Měsíc, který je blíže k zemi, má silnější přílivovou sílu ve srovnání se sluncem. Když přílivové síly slunce a Měsíce Působí ve stejném směru, příliv je nejsilnější a nazývá se jarní příliv. Když jsou tyto dvě síly v opozici, příliv je nejslabší a nazývá se neap tide.
přílivy se vyskytují s různou frekvencí v závislosti na zeměpisné oblasti. Protože gravitace Měsíce a slunce táhne jak vodu, tak celou planetu Zemi, v některých oblastech dochází k přílivu, když gravitační síla táhne vodu a zemi ve stejných nebo různých směrech. V tomto případě se dvojice odlivu a odlivu stane dvakrát za jeden den. V některých oblastech se to děje pouze jednou denně. Vzory přílivu na pobřeží závisí na tvaru pobřeží, vzory hlubokého přílivu oceánu, a umístění Měsíce a Slunce, stejně jako interakce jejich gravitačních sil. Na některých místech může doba mezi přílivy trvat až několik let. V závislosti na pobřeží a hloubce oceánu mohou přílivy způsobit proudy, bouře, změny ve vzorcích větru a kolísání tlaku vzduchu. Některá místa používají speciální hodiny k výpočtu, kdy dojde k dalšímu přílivu. Jsou konfigurovány na základě přílivových výskytů v oblasti a při přesunu na jiné místo je třeba je znovu nakonfigurovat. V některých oblastech nejsou přílivové hodiny účinné, protože příliv a odliv tam nelze snadno předvídat.
slapová síla, která přesouvá vodu na břeh a zpět, se někdy používá k výrobě energie. Přílivové mlýny používají tuto sílu po staletí. Základní konstrukce má vodní nádrž a voda je vpuštěna při přílivu a odlivu. Kinetická energie tekoucí vody pohybuje kolem mlýna a generovaná energie se používá k provádění práce, například mletí zrn na mouku. I když s tímto systémem existuje řada problémů, včetně nebezpečí pro ekosystém, kde je tento mlýn postaven, tento způsob výroby energie má potenciál, protože je obnovitelným a spolehlivým zdrojem energie.
nepodstatné síly
síly, které jsou deriváty základních sil, se nazývají nepodstatné síly.
normální síla
jednou z nepodstatných sil je normální síla, která působí kolmo k povrchu objektu a tlačí ven, odolává tlaku jiných objektů. Když je objekt umístěn na povrchu, velikost normální síly se rovná čisté síle přitlačující k povrchu. Na rovném povrchu, když jsou síly jiné než gravitace v rovnováze, je normální síla rovna gravitační síle ve velikosti a opačné ve směru. Vektorový součet obou sil je pak nulový a objekt stojí nebo se pohybuje konstantní rychlostí. Když je objekt na svahu a ostatní síly jsou v rovnováze, součet gravitačních a normálních sil směřuje dolů (ale ne přímo dolů, kolmo k obzoru)a objekt sklouzne dolů podél svahu.
tření
tření je síla rovnoběžná s povrchem předmětu a proti jeho pohybu. Vyskytuje se, když dva objekty klouzají proti sobě (kinetické tření) nebo když je stacionární objekt umístěn na šikmém povrchu(statické tření). Tato síla se používá při nastavování předmětů do pohybu, například kola se v důsledku tření drží na zemi. Bez ní by nebyli schopni pohánět vozidla. Tření mezi gumou pneumatik a zemí je dostatečně silné, aby zajistilo, že pneumatiky neklouzají po zemi a umožňují pohyb válcování a lepší kontrolu směru pohybu. Tření valivého předmětu, valivého tření nebo valivého odporu, není tak silné jako suché tření dvou předmětů klouzajících proti sobě. Tření se používá při zastavení s použitím přestávek — kola vozidla jsou zpomalena suchým třením v kotoučových nebo bubnových brzdách. V některých případech je tření nežádoucí, protože zpomaluje pohyb a opotřebovává mechanické součásti. Kapaliny nebo hladké povrchy se používají k minimalizaci tření.
Zajímavá fakta o silách
síly mohou deformovat pevné předměty nebo měnit objem a tlak v kapalinách a plynech. K tomu dochází, když jsou síly aplikovány nerovnoměrně na různé části objektu nebo látky. V některých případech, kdy je na těžký předmět aplikována dostatečná síla, může být stlačena do velmi malé koule. Pokud je tato koule dostatečně malá, menší než určitý poloměr, může se vytvořit černá díra. Tento poloměr se nazývá Schwarzschildův poloměr. Liší se v závislosti na hmotnosti objektu a lze jej vypočítat pomocí vzorce. Objem této koule je tak malý, že ve srovnání s hmotností objektu je téměř nulový. Protože hmotnost černých děr je tak silně kondenzovaná, mají extrémně vysokou gravitační sílu, takže jiné objekty nemohou uniknout a ani světlo. Černé díry neodrážejí žádné světlo, takže se zdají být zcela černé. Proto se jim říká černé díry. Vědci věří, že velké hvězdy na konci svého života se změní na černé díry a mohou růst v hmotě tím, že absorbují další objekty, které jsou v daném poloměru.
