yleiskatsaus
fysiikka määrittelee voiman vaikutukseksi, joka muuttaa kappaleen liikettä, oli se sitten ulkoinen liike tai kehon sisäinen liike, kuten sen muodon muuttaminen. Esimerkiksi kun kivi vapautuu, se putoaa maahan, koska maan painovoima vetää sitä. Törmäyksen aikana se taivuttaa putoamiaan ruohonkorsia-kiven painon voima saa ne liikkumaan ja muuttamaan muotoaan.
voima on vektori, eli sillä on suunta. Kun useat voimat vaikuttavat kappaleeseen ja vetävät sitä eri suuntiin, nämä voimat voivat olla tasapainossa, eli niiden vektorisumma on nolla. Tällöin esine olisi levossa. Aiemman esimerkin kivi saattaa vieriä osuttuaan maahan, mutta lopulta se pysähtyy. Painovoima vetää sitä edelleen alas, mutta samalla normaali voima eli maareaktiovoima työntää kiveä ylös. Näiden voimien nettosumma on nolla, ne ovat tasapainossa, eikä kivi liiku.
voiman SI-yksikkö on newton. Yksi newton vastaa nettovoimaa, joka kiihdyttää kappaletta, jonka massa on kilogramma metrillä sekunnissa neliöön.
tasapainotila
yksi ensimmäisistä tiedemiehistä, joka tutki voimia ja loi mallin niiden vuorovaikutuksesta aineen kanssa maailmankaikkeudessa, oli Aristoteles. Hänen mallinsa mukaan jos kappaleeseen vaikuttavien voimien nettovektorisumma on nolla, voimat ovat tasapainotilassa ja kappale on stationäärinen. Tätä mallia korjattiin myöhemmin niin, että siihen sisällytettiin kappaleet, jotka liikkuvat vakionopeudella, kun voimat ovat tasapainossa. Tällaista tasapainotilaa kutsutaan dynaamiseksi tasapainotilaksi, kun taas sitä, jossa kappale on levossa, kutsutaan staattiseksi tasapainotilaksi.
maailmankaikkeuden Perusvoimat
luonnonvoimat saavat esineet liikkumaan tai pysymään paikoillaan. Luonnossa on neljä perusvoimaa: vahva, sähkömagneettinen, heikko ja painovoima. Kaikki muut voimat ovat näiden neljän osajoukkoja. Toisin kuin sähkö-ja gravitaatiovoimat, vahvat ja heikot voimat vaikuttavat aineeseen vain ydintasolla. Ne eivät toimi pitkiä matkoja.
Strong Force
Strong force on neljästä voimasta vahvin. Se vaikuttaa atomin ytimen alkuaineisiin ja pitää neutronit ja protonit yhdessä. Tätä voimaa kuljettavat gluonit ja sitovat kvarkit yhteen muodostaen suurempia hiukkasia. Kvarkit muodostavat neutroneja, protoneja ja muita suurempia hiukkasia. Gluonit ovat pienempiä alkeishiukkasia, joilla ei ole pohjarakennetta ja jotka liikkuvat kvarkkien välillä voimankantajina. Gluonien liike luo vahvan voiman kvarkkien välille. Tämä on voima, joka muodostaa aineen maailmankaikkeudessa.
sähkömagneettinen voima
sähkömagneettinen voima on toiseksi vahvin voima. Se on vuorovaikutus hiukkasten välillä, joilla on vastakkaiset tai samat sähkövaraukset. Kun kahdella hiukkasella on sama varaus, eli ne ovat molemmat positiivisia tai molemmat negatiivisia, ne hylkivät toisiaan. Jos taas heillä on vastakkainen varaus, jossa toinen on positiivinen ja toinen negatiivinen, he tuntevat vetoa toisiinsa. Tämä hiukkasliike, jota muut hiukkaset hylkivät tai vetävät puoleensa, on sähköä-fysikaalinen ilmiö, jota käytämme jokapäiväisessä elämässämme ja suurimmassa osassa teknologiaa.
sähkömagneettinen voima voi selittää kemiallisia reaktioita, valoa ja sähköä sekä molekyylien, atomien ja elektronien välisiä vuorovaikutuksia. Nämä hiukkasten väliset vuorovaikutukset ovat vastuussa siitä, millaisia muotoja kiinteät kappaleet ottavat maailmassa. Sähkömagneettinen voima estää kahta kiinteää kappaletta läpäisemästä toisiaan, koska toisen kappaleen elektronit hylkivät toisen kappaleen saman varauksen elektroneja. Historiallisesti sähköisiä ja magneettisia voimia käsiteltiin erillisinä vaikutteina, mutta lopulta huomattiin, että ne liittyvät toisiinsa. Useimmilla esineillä on neutraali varaus, mutta esineen varausta on mahdollista muuttaa hieromalla kahta esinettä yhteen. Elektronit kulkevat näiden kahden aineen välillä ja vetävät puoleensa toisen aineen vastakkaisesti varautuneita elektroneja. Tällöin kunkin kappaleen pinnalle jää enemmän samoja varauselektroneja, jolloin kappaleen hallitseva varaus kokonaisuudessaan muuttuu. Jos esimerkiksi hieroo hiuksia villapaidalla ja nostaa sen sitten pois, hiukset nousevat pystyyn ja ”seuraavat” villapaitaa. Tämä johtuu siitä, että hiusten pinnalla olevat elektronit vetävät puoleensa enemmän puseron pinnalla olevia atomeja kuin puseron pinnalla olevat elektronit hiusten pinnalla olevia atomeja. Myös hiukset tai muut samalla tavalla varautuneet esineet vetävät puoleensa neutraalisti varautuneita pintoja.
heikko voima
heikko voima on heikompi kuin sähkömagneettinen. Aivan kuten gluonit kantavat vahvaa voimaa, W-ja Z-bosonit kantavat heikkoa voimaa. Ne ovat alkeishiukkasia, jotka emittoituvat tai absorboituvat. W-bosonit helpottavat radioaktiivisen hajoamisen prosessia, kun taas Z-bosonit eivät vaikuta niihin hiukkasiin, joiden kanssa ne joutuvat kosketuksiin, lukuun ottamatta liikemäärän siirtämistä. Hiilen iänmääritys eli orgaanisen aineen iän määritysprosessi on mahdollinen heikon voiman vuoksi. Sitä käytetään historiallisten esineiden iän määrittämiseen ja se perustuu tämän orgaanisen aineen sisältämän hiilen hajoamisen arviointiin.
Painovoima
painovoima on nelikosta heikoin. Se pitää tähtitieteelliset kohteet asemissaan maailmankaikkeudessa, on vastuussa vuorovesistä ja aiheuttaa kappaleiden putoamisen maahan vapautuessaan. Se on voima, joka vaikuttaa esineisiin ja vetää ne puoleensa. Tämän vetovoiman vahvuus kasvaa kappaleen massan mukana. Muiden voimien tavoin sen uskotaan välittyvän hiukkasista, gravitoneista, mutta näitä hiukkasia ei ole vielä havaittu. Gravitaatio vaikuttaa siihen, miten tähtitieteelliset kohteet liikkuvat, ja liike voidaan laskea ympäröivien kappaleiden massan perusteella. Tämän riippuvuuden ansiosta tiedemiehet pystyivät ennustamaan Neptunuksen olemassaolon tarkkailemalla Uranuksen liikettä ennen kuin Neptunus nähtiin kaukoputkella. Tämä johtui siitä, että Uranuksen liike oli ristiriidassa sen ennustetun liikkeen kanssa, joka perustui siihen aikaan tunnettuihin tähtitieteellisiin kohteisiin, minkä vuoksi tutkijat päättelivät, että toisen planeetan, vielä näkymättömän, täytyy vaikuttaa sen liikemalleihin.
suhteellisuusteorian mukaan gravitaatio muuttaa myös aika-avaruuden jatkumoa, neliulotteista avaruutta, jossa kaikki, myös ihmiset, on olemassa. Tämän teorian mukaan aika-avaruuden kaarevuus kasvaa massan mukana, ja sen vuoksi se on helpompi havaita planeettojen kokoisilla tai massaltaan suuremmilla kappaleilla. Tämä kaarevuus on todistettu kokeellisesti, ja se voidaan nähdä, kun verrataan kahta synkronoitua kelloa, joissa toinen on paikallaan ja toinen liikkuu huomattavan matkan pitkin kappaletta, jolla on suuri massa. Jos esimerkiksi kelloa siirretään maan kiertoradan ympäri, kuten Hafele-Keating-kokeessa, sen osoittama aika on paikallaan olevan kellon takana, koska aika-avaruuden kaarevuus aiheuttaa sen, että kellon aika kuluu hitaammin liikkeessä.
painovoima saa kappaleet kiihtymään pudotessaan kohti toista kappaletta, ja tämä on havaittavissa, kun näiden kahden massan ero on suuri. Kiihtyvyys voidaan laskea kappaleiden massan perusteella. Maata kohti putoavilla kappaleilla se on noin 9,8 metriä sekunnissa neliössä.
vuorovesi
vuorovesi ovat esimerkkejä painovoimasta toiminnassa. Ne johtuvat kuun, auringon ja maan vetovoimasta. Toisin kuin kiinteät esineet, vesi voi muuttaa muotoaan helposti, kun voimat vaikuttavat siihen. Kun siis kuun ja auringon gravitaatiovoimat vaikuttavat maahan, nämä voimat eivät vedä maanpintaa yhtä paljon kuin vesi. Kuu ja aurinko liikkuvat taivaalla, ja maan vesi seuraa niitä aiheuttaen vuorovesiä. Veteen vaikuttavia voimia kutsutaan vuorovesivoimiksi; ne ovat erilaisia gravitaatiovoimia. Koska kuu on lähempänä Maata, sillä on voimakkaampi vuorovesivoima verrattuna aurinkoon. Kun auringon ja kuun vuorovesivoimat vaikuttavat samaan suuntaan, vuorovesi on voimakkain ja sitä kutsutaan kevätvedeksi. Kun nämä kaksi voimaa ovat vastakkain, vuorovesi on heikoin ja sitä kutsutaan neap vuorovesi.
vuorovesi esiintyy eri taajuudella maantieteellisestä alueesta riippuen. Koska kuun ja auringon painovoima vetää puoleensa sekä vettä että koko maapalloa, joillakin alueilla vuorovedet esiintyvät sekä silloin, kun painovoima vetää vettä ja maata samaan tai eri suuntiin. Tällöin ylä-ja laskuvesipari tapahtuu kaksi kertaa yhden päivän aikana. Joillakin alueilla tämä tapahtuu vain kerran päivässä. Vuorovesikuviot rannikolla riippuvat rannikon muodosta, syvien valtamerten vuorovesikuvioista ja kuun ja auringon sijainnista sekä niiden gravitaatiovoimien vuorovaikutuksesta. Joissakin paikoissa vuorovesien välinen aika voi kestää jopa useita vuosia. Rantaviivasta ja meren syvyydestä riippuen vuorovesi voi aiheuttaa virtauksia, myrskyjä, tuulien muutoksia ja ilmanpaineen vaihtelua. Joissakin paikoissa käytetään erikoiskelloja seuraavan vuoroveden laskemiseen. Ne on määritetty alueen vuorovesiesiintymien perusteella, ja ne on konfiguroitava uudelleen, kun ne siirretään toiseen paikkaan. Joillakin alueilla vuorovesikellot eivät ole tehokkaita, koska vuorovesiä ei voida ennustaa siellä helposti.
vuorovesivoimaa, joka siirtää vettä rantaan ja sieltä pois, käytetään joskus voiman tuottamiseen. Vuorovesimyllyt ovat käyttäneet tätä voimaa vuosisatoja. Perusrakenteessa on vesiallas, ja vesi päästetään sisään nousuveden aikaan ja ulos laskuveden aikaan. Virtaavan veden liike-energia liikuttaa myllyn pyörää, ja syntyvää voimaa käytetään työn suorittamiseen, esimerkiksi jyvien jauhamiseen jauhoksi. Vaikka tässä järjestelmässä on useita ongelmia, kuten vaaroja ekosysteemille, johon tämä mylly on rakennettu, tällä energiantuotantomenetelmällä on potentiaalia, koska se on uusiutuva ja luotettava energianlähde.
Ei-Perusjoukot
niitä voimia, jotka ovat perusvoimien johdannaisia, kutsutaan ei-perusjoukoiksi.
normaali voima
yksi ei-perusvoimista on normaali voima, joka toimii kohtisuoraan kappaleen pintaa vastaan ja työntyy ulospäin vastustaen muiden kappaleiden painetta. Kun kappale asetetaan pinnalle, normaalin voiman suuruus on yhtä suuri kuin pintaa vasten painuva nettovoima. Tasaisella pinnalla, kun muut voimat kuin painovoima ovat tasapainossa, normaali voima on yhtä suuri kuin gravitaatiovoima suuruudeltaan ja vastakkaissuuntainen. Tällöin kahden voiman vektorisumma on nolla ja kappale on paikallaan tai liikkuu vakionopeudella. Kun kappale on kaltevuudessa ja muut voimat ovat tasapainossa, gravitaatio-ja normaalivoimien summa osoittaa alaspäin (mutta ei suoraan alaspäin, kohtisuoraan horisonttiin nähden), ja kappale liukuu alaspäin kaltevuutta pitkin.
kitka
kitka on kappaleen pinnan kanssa samansuuntainen ja sen liikkeen vastainen voima. Se tapahtuu, kun kaksi kappaletta liukuvat toisiaan vasten (kineettinen kitka), tai kun staattinen kappale on sijoitettu kaltevalle pinnalle (staattinen kitka). Tätä voimaa käytetään, kun esineitä laitetaan liikkeelle, esimerkiksi Pyörät tarttuvat maahan kitkan vuoksi. Ilman sitä he eivät olisi pystyneet kuljettamaan ajoneuvoja. Renkaiden kumin ja maan välinen kitka on riittävän vahva varmistamaan, että renkaat eivät liuku maata pitkin ja mahdollistaa liikkuvan liikkeen ja paremman liikkeen suunnan hallinnan. Vierivän kappaleen kitka, vierintäkitka tai vierintävastus, ei ole yhtä voimakas kuin kahden toisiaan vasten liukuvan kappaleen kuiva kitka. Kitkaa käytetään pysähdyksissä taukojen avulla-ajoneuvon pyöriä hidastaa kuiva kitka levy-tai rumpujarruissa. Joissakin tapauksissa kitka ei ole toivottavaa, koska se hidastaa liikettä ja kuluttaa mekaanisia osia. Kitkan minimoimiseksi käytetään nesteitä tai sileitä pintoja.
mielenkiintoisia faktoja voimista
voimat voivat muuttaa kiinteitä kappaleita tai muuttaa nesteiden ja kaasujen tilavuutta ja painetta. Tämä tapahtuu, kun voimat kohdistetaan epätasa-arvoisesti kappaleen tai aineen eri osiin. Joissakin tapauksissa, kun painavaan kappaleeseen kohdistuu tarpeeksi voimaa, se voidaan puristaa hyvin pieneksi palloksi. Jos tämä pallo on tarpeeksi pieni, pienempi kuin tietty säde, niin musta aukko voi muodostua. Tätä sädettä kutsutaan Schwarzschildin säteeksi. Se vaihtelee kappaleen massan perusteella ja voidaan laskea kaavalla. Tämän pallon tilavuus on niin pieni, että kappaleen massaan verrattuna se on lähes nolla. Koska mustien aukkojen massa on niin voimakkaasti tiivistynyt, niillä on äärimmäisen suuri painovoiman vetovoima, niin että muut kappaleet eivät pääse sitä pakoon, eikä myöskään valo. Mustat aukot eivät heijasta lainkaan valoa, joten ne näyttävät täysin mustilta. Tämän vuoksi niitä kutsutaan mustiksi aukoiksi. Tutkijat uskovat, että elämänsä loppuvaiheessa olevat suuret tähdet muuttuvat mustiksi aukoiksi ja voivat kasvaa massaltaan imemällä itseensä muita tietyn säteen sisällä olevia kappaleita.
