áttekintés
a fizika az erőt olyan hatásként határozza meg, amely megváltoztatja a test mozgását, legyen az Külső mozgás vagy a testen belüli mozgás, például alakjának megváltoztatása. Például, amikor egy kő felszabadul,leesik, mert a Föld gravitációs ereje húzza. Az ütközés során meghajlítja a fűszálakat, amelyekre esik — a kő súlyának ereje mozgatja őket és megváltoztatja alakjukat.
az erő egy vektor, ami azt jelenti, hogy iránya van. Amikor több erő hat egy tárgyra, és különböző irányba húzza, ezek az erők egyensúlyban lehetnek, ami azt jelenti, hogy vektorösszegük nulla. Ebben az esetben az objektum nyugalomban lenne. A korábbi példából származó kő a földre érés után gurulhat, de végül megáll. A gravitációs erő még mindig lefelé húzza, de ugyanakkor a normál erő vagy a földi reakcióerő felfelé tolja a követ. Ezeknek az erőknek a nettó összege nulla, egyensúlyban vannak, és a kő nem mozog.
az erő SI egysége a newton. Egy newton megfelel annak a nettó erőnek, amely egy kilogramm tömegű tárgyat másodpercenként egy méterrel felgyorsít.
Equilibrium
Arisztotelész volt az egyik első tudós, aki az erőket vizsgálta és modellt készített az anyaggal való kölcsönhatásukról az univerzumban. Modellje szerint, ha a tárgyra ható erők nettó vektorösszege nulla, akkor az erők egyensúlyi állapotban vannak, a tárgy pedig álló. Ezt a modellt később korrigálták, hogy tartalmazza az állandó sebességgel mozgó tárgyakat, amikor az erők egyensúlyban vannak. Ezt a fajta egyensúlyt dinamikus egyensúlynak nevezzük, míg a nyugalomban lévő tárgyat statikus egyensúlynak nevezzük.
alapvető erők az univerzumban
a természetben lévő erők a tárgyak mozgását vagy helyben maradását okozzák. A természetben négy alapvető erő van: erős, elektromágneses, gyenge és gravitációs. Az összes többi erő ennek a négynek a részhalmaza. Az elektromos és gravitációs erőktől eltérően az erős és gyenge erők csak a nukleáris szinten hatnak az anyagra. Nem működnek nagy távolságokon.
erős erő
az erős erő a legerősebb a négy erő közül. Az atommag elemeire hat, a neutronokat és a protonokat együtt tartva. Ezt az erőt a gluonok hordozzák, és a kvarkokat összekötve nagyobb részecskéket képeznek. A kvarkok neutronokat, protonokat és más nagyobb részecskéket alkotnak. A gluonok kisebb elemi részecskék, amelyeknek nincs alszerkezete, és erőhordozóként mozognak a kvarkok között. A gluonok mozgása erős erőt hoz létre a kvarkok között. Ez az erő alkotja az anyagot az univerzumban.
elektromágneses erő
az elektromágneses erő a második legerősebb erő. Ez az ellentétes vagy azonos elektromos töltésű részecskék közötti kölcsönhatás. Ha két részecske azonos töltéssel rendelkezik, vagyis mindkettő pozitív vagy negatív, akkor taszítják egymást. Ha viszont ellentétes töltésük van, ahol az egyik pozitív, a másik negatív, akkor vonzódnak egymáshoz. A részecskéknek ez a mozgása, amelyet más részecskék taszítanak vagy vonzanak, elektromosság — egy fizikai jelenség, amelyet a mindennapi életünkben és a legtöbb technológiában használunk.
az elektromágneses erő felelős a kémiai reakciókért, a fényért és az elektromosságért, valamint a molekulák, atomok és elektronok közötti kölcsönhatásokért. Ezek a részecskék közötti kölcsönhatások felelősek a szilárd tárgyak alakjaiért a világban. Az elektromágneses erő megakadályozza, hogy két szilárd tárgy áthatoljon egymáson, mert az egyik tárgyban lévő elektronok taszítják a másik tárgy azonos töltésének elektronjait. Történelmileg az elektromos és a mágneses erőket külön hatásként kezelték, de végül kiderült, hogy ezek kapcsolatban állnak egymással. A legtöbb objektum semleges töltéssel rendelkezik, de az objektum töltését két objektum egymáshoz dörzsölésével lehet megváltoztatni. Az elektronok a két anyag között utaznak, vonzódnak a másik anyag ellentétesen töltött elektronjaihoz. Ez több azonos töltéselektront hagy az egyes tárgyak felületén,ezáltal megváltoztatva az objektum domináns töltését. Például, ha valaki pulóverrel dörzsöli a haját, majd felemeli a pulóvert, a haj feláll, és “követi” a pulóvert. Ennek oka az, hogy a haj felületén lévő elektronok jobban vonzódnak a pulóver felületén lévő atomokhoz, mint a pulóver felületén lévő elektronok a haj felületén lévő atomokhoz. A haj vagy más hasonló töltésű tárgyak szintén vonzódnak a semleges töltésű felületekhez.
gyenge erő
gyenge erő gyengébb, mint az elektromágneses. Ahogy a gluonok hordozzák az erős erőt, úgy a W és Z bozonok hordozzák a gyenge erőt. Ezek elemi részecskék, amelyeket kibocsátanak vagy felszívnak. A W bozonok megkönnyítik a radioaktív bomlás folyamatát, míg a Z bozonok nem befolyásolják azokat a részecskéket, amelyekkel érintkeznek, kivéve a lendület átadását. Szén randevú, a szerves anyagok életkorának meghatározásának folyamata, a gyenge erő miatt lehetséges. A történelmi tárgyak korának megállapítására szolgál, és az ebben a szerves anyagban jelen lévő szén bomlásának értékelésén alapul.
Gravitációs Erő
a gravitációs erő a leggyengébb a négy közül. A csillagászati objektumokat a világegyetemben lévő helyzetükben tartja, felelős az árapályért, és a tárgyak földre esését okozza, amikor elengedik. Ez az erő hat a tárgyakra, vonzza őket egymáshoz. Ennek a vonzerőnek az ereje az objektum tömegével növekszik. A többi erőhöz hasonlóan úgy gondolják, hogy részecskék, gravitonok közvetítik, de ezeket a részecskéket még nem észlelték. A gravitáció befolyásolja a csillagászati tárgyak mozgását, és a mozgás kiszámítható a környező tárgyak tömege alapján. Ez a függőség lehetővé tette a tudósok számára, hogy megjósolják a Neptunusz létezését azáltal, hogy figyelik az Uránusz mozgását, mielőtt a Neptunuszt látták volna a távcsőben. Ennek oka az volt, hogy az Uránusz mozgása nem volt összhangban az előre jelzett mozgással, az akkor ismert csillagászati tárgyak alapján, ezért a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy egy másik, még láthatatlan bolygónak befolyásolnia kell a mozgási mintáit.
a relativitáselmélet szerint a gravitáció megváltoztatja a téridő kontinuumot, a négydimenziós teret is, amelyben minden létezik, beleértve az embereket is. Ezen elmélet szerint a téridő görbülete a tömeggel növekszik, ezért könnyebb észrevenni olyan nagy tárgyakkal, mint a bolygók vagy nagyobb tömegűek. Ezt a görbületet kísérletileg bizonyították, és két szinkronizált óra összehasonlításakor látható, ahol az egyik álló helyzetben van, a másik pedig jelentős távolságra mozog egy nagy tömegű test mentén. Például, ha az órát a föld pályája körül mozgatják, mint a Hafele–Keating kísérletben, akkor a megjelenített idő az álló óra mögött lesz, mert a téridő görbülete miatt az idő lassabban fut a mozgásban lévő óra számára.
a gravitációs erő hatására a tárgyak felgyorsulnak, amikor egy másik tárgy felé esnek, és ez észrevehető, ha a kettő közötti tömegkülönbség nagy. Ez a gyorsulás kiszámítható a tárgyak tömege alapján. A Föld felé eső tárgyak esetében ez körülbelül 9,8 méter másodpercenként négyzet.
árapály
az árapályok példák a gravitációs erő működésére. Ezeket a Hold, a nap és a Föld gravitációs erői okozzák. A szilárd tárgyakkal ellentétben a víz könnyen megváltoztathatja alakját, ha erők hatnak rá. Ezért, amikor a Hold és a nap gravitációs erői hatnak a földre, a földfelszínt ezek az erők nem húzzák annyira, mint a vizet. A Hold és a nap mozog az égen, és a víz a Földön követi őket, ami árapály. A vízre ható erőket árapályerőknek nevezzük; ezek különféle gravitációs erők. A Hold, mivel közelebb van a Földhöz, erősebb árapályerővel rendelkezik a Naphoz képest. Amikor a nap és a Hold árapályerői ugyanabban az irányban hatnak, az árapály a legerősebb, és tavaszi árapálynak nevezik. Amikor ez a két erő szemben áll, akkor a dagály a leggyengébb, és ezt hívják apálynak.
az árapályok a földrajzi területtől függően eltérő gyakorisággal fordulnak elő. Mivel a hold és a Nap gravitációja mind a vizet, mind az egész Föld bolygót húzza, egyes területeken árapályok fordulnak elő, amikor a gravitációs erő a vizet és a Földet azonos vagy különböző irányba húzza. Ebben az esetben a magas és alacsony dagály pár egy nap alatt kétszer fordul elő. Egyes területeken ez csak naponta egyszer történik. Az árapály minták a parton a part alakjától, a mély óceán dagálymintáitól, a Hold és a nap elhelyezkedésétől, valamint a gravitációs erők kölcsönhatásától függenek. Egyes helyeken az árapályok közötti időtartam akár több évig is eltarthat. A tengerparttól és az óceán mélységétől függően az árapályok áramlatokat, viharokat, szélminták változását és a Légnyomás ingadozását okozhatják. Egyes helyeken speciális órákat használnak annak kiszámításához, hogy mikor következik be a következő árapály. Ezek a területen előforduló árapály-események alapján vannak konfigurálva, és egy másik helyre történő áthelyezéskor újra kell konfigurálni őket. Egyes területeken az árapályórák nem hatékonyak, mert az árapályokat ott nem lehet könnyen megjósolni.
az árapályerő, amely a vizet a part felé és onnan mozgatja, néha energiát termel. Az árapálymalmok évszázadok óta használják ezt az erőt. Az alapszerkezetnek van egy víztározója, és a vizet dagálykor engedik be, apálykor pedig ki. Az áramló víz kinetikus energiája mozgatja a malom kerekét, a keletkező energiát pedig olyan munkák elvégzésére használják, mint például a szemek lisztbe őrlése. Bár számos probléma van ezzel a rendszerrel, beleértve az ökoszisztémát fenyegető veszélyeket is, ahol ez a malom épül, ez az energiatermelési módszer potenciállal rendelkezik, mert megújuló és megbízható energiaforrás.
nem alapvető erők
az alapvető erők származékait nem alapvető erőknek nevezzük.
normál erő
az egyik nem alapvető erő a normál erő, amely a tárgy felületére merőlegesen hat, és kifelé tolja, ellenállva más tárgyak nyomásának. Amikor egy tárgyat egy felületre helyeznek, a normál erő nagysága megegyezik a felülethez nyomódó nettó erővel. Sík felületen, amikor a gravitációtól eltérő erők egyensúlyban vannak, a normál erő megegyezik a gravitációs erővel nagyságban és ellentétes irányban. A két erő vektorösszege ekkor nulla, és az objektum állandó sebességgel mozog vagy mozog. Amikor az objektum lejtőn van, és más erők egyensúlyban vannak, a gravitációs és normál erők összege lefelé mutat (de nem közvetlenül lefelé, merőlegesen a horizontra), és az objektum lefelé csúszik a lejtőn.
súrlódás
a súrlódás egy tárgy felületével párhuzamos, mozgásával ellentétes erő. Ez akkor fordul elő, ha két tárgy csúszik egymás ellen (kinetikus súrlódás), vagy ha egy álló tárgyat ferde felületre helyeznek (statikus súrlódás). Ezt az erőt akkor alkalmazzák, amikor tárgyakat mozgásba hoznak, például a kerekek súrlódás miatt a talajhoz tapadnak. Enélkül nem tudták volna meghajtani a járműveket. A gumiabroncsok és a talaj közötti súrlódás elég erős ahhoz, hogy biztosítsa, hogy a gumiabroncsok ne csússzanak a talaj mentén, és lehetővé teszik a gördülő mozgást és a mozgás irányának jobb ellenőrzését. A gördülő tárgy súrlódása, a gördülő súrlódás vagy a gördülési ellenállás nem olyan erős, mint két egymással csúszó tárgy száraz súrlódása. A súrlódást szünetek használatával állítják le-a jármű kerekeit a tárcsa vagy a dobfékek száraz súrlódása lassítja. Bizonyos esetekben a súrlódás nem kívánatos, mert lassítja a mozgást és elhasználja a mechanikai alkatrészeket. Folyadékokat vagy sima felületeket használnak a súrlódás minimalizálására.
érdekes tények az erőkről
az erők deformálhatják a szilárd tárgyakat, vagy megváltoztathatják a folyadékok és gázok térfogatát és nyomását. Ez akkor fordul elő, ha az erőket egyenlőtlenül alkalmazzák a tárgy vagy anyag különböző részeire. Bizonyos esetekben, amikor elegendő erőt alkalmaznak egy nehéz tárgyra, egy nagyon kis gömbbe tömöríthető. Ha ez a gömb elég kicsi, kisebb, mint egy bizonyos sugár, akkor fekete lyuk alakulhat ki. Ezt a sugarat Schwarzschild sugárnak nevezzük. Ez az objektum tömegétől függően változik, és egy képlet segítségével kiszámítható. Ennek a gömbnek a térfogata olyan kicsi, hogy a tárgy tömegéhez képest majdnem nulla. Mivel a fekete lyukak tömege olyan erősen kondenzálódik, rendkívül nagy gravitációs vonzással rendelkeznek, így más tárgyak nem tudnak elmenekülni, és a fény sem. A fekete lyukak nem tükröznek fényt, ezért teljesen feketének tűnnek. Ezért nevezik őket fekete lyukaknak. A tudósok úgy vélik, hogy a nagy csillagok életük végén fekete lyukakká alakulnak, és tömegük növekedhet, ha elnyelnek más tárgyakat, amelyek egy adott sugáron belül vannak.
