przegląd
fizyka definiuje siłę jako wpływ, który zmienia ruch ciała, czy to ruch zewnętrzny, czy ruch wewnątrz ciała, taki jak zmiana jego kształtu. Na przykład, gdy kamień jest uwalniany, spada w dół, ponieważ jest ciągnięty przez ziemską siłę grawitacji. Podczas uderzenia wygina źdźbła trawy, na które spada — siła ciężaru kamienia sprawia, że poruszają się i zmieniają swój kształt.
siła jest wektorem, co oznacza, że ma kierunek. Gdy kilka sił oddziałuje na obiekt i ciągnie go w różnych kierunkach, siły te mogą znajdować się w równowadze, co oznacza, że ich suma wektorowa wynosi zero. W takim przypadku obiekt byłby w stanie spoczynku. Kamień z wcześniejszego przykładu może toczyć się po uderzeniu w ziemię, ale w końcu się zatrzyma. Siła grawitacji nadal ściąga go w dół, ale w tym samym czasie normalna siła, czyli siła reakcji ziemi, popycha kamień do góry. Suma netto tych sił wynosi zero, są one w równowadze, a kamień nie porusza się.
jednostką siły SI jest newton. Jeden newton odpowiada sile netto, która przyspiesza obiekt o masie jednego kilograma o metr na sekundę do kwadratu.
jednym z pierwszych naukowców, którzy zbadali siły i stworzyli model ich interakcji z materią we wszechświecie był Arystoteles. Według jego modelu, jeśli suma wektorowa sił działających na obiekt wynosi zero, siły te znajdują się w stanie równowagi, a obiekt jest nieruchomy. Model ten został później skorygowany, aby uwzględnić obiekty poruszające się ze stałą prędkością, gdy siły są w równowadze. Ten rodzaj równowagi nazywa się równowagą dynamiczną, podczas gdy ta z obiektem w spoczynku nazywa się równowagą statyczną.
podstawowe siły we wszechświecie
siły w naturze powodują, że obiekty poruszają się lub pozostają na swoim miejscu. Istnieją cztery podstawowe siły w przyrodzie: silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne. Wszystkie pozostałe siły są podzbiorami tych czterech. W przeciwieństwie do sił elektrycznych i grawitacyjnych, silne i słabe siły oddziałują na materię tylko na poziomie jądrowym. Nie działają na duże odległości.
silna siła
silna siła jest najsilniejszą z czterech sił. Działa na elementy jądra atomu, utrzymując neutrony i protony razem. Siła ta jest przenoszona przez gluony i wiąże kwarki razem tworząc większe cząstki. Kwarki tworzą neutrony, protony i inne większe cząstki. Gluony są mniejszymi cząstkami elementarnymi, które nie mają podbudowy i poruszają się między kwarkami jako nośniki siły. Ruch gluonów tworzy silne siły między kwarkami. To jest siła, która tworzy materię we wszechświecie.
siła elektromagnetyczna
siła elektromagnetyczna jest drugą najsilniejszą siłą. Jest to interakcja między cząstkami o przeciwnych lub tych samych ładunkach elektrycznych. Kiedy dwie cząstki mają ten sam ładunek, to znaczy są dodatnie lub ujemne, odpychają się nawzajem. Z drugiej strony, jeśli mają przeciwny ładunek, gdzie jeden jest dodatni, a drugi ujemny, są przyciągane do siebie. Ten ruch cząstek, które są odpychane lub przyciągane do innych cząstek, jest elektrycznością-zjawiskiem fizycznym, które wykorzystujemy w naszym codziennym życiu i w większości technologii.
siła elektromagnetyczna może odpowiadać za reakcje chemiczne, światło i elektryczność, a także interakcje między cząsteczkami, atomami i elektronami. Te interakcje między cząstkami są odpowiedzialne za kształty, które przyjmują obiekty stałe w świecie. Siła elektromagnetyczna zapobiega przenikaniu się dwóch ciał stałych, ponieważ elektrony w jednym obiekcie odpychają elektrony tego samego ładunku drugiego obiektu. Historycznie siły elektryczne i magnetyczne były traktowane jako oddzielne wpływy, ale ostatecznie odkryto, że są ze sobą powiązane. Większość obiektów ma ładunek neutralny, ale możliwa jest zmiana ładunku obiektu poprzez pocieranie dwóch obiektów razem. Elektrony będą podróżować między dwoma materiałami, przyciągając przeciwstawnie naładowane elektrony w innym materiale. To pozostawi więcej tego samego ładunku elektronów na powierzchni każdego obiektu, zmieniając w ten sposób dominujący ładunek całego obiektu. Na przykład, jeśli ktoś przetrze włosy swetrem, a następnie podniesie sweter, włosy powstaną i „pójdą” za swetrem. To dlatego, że elektrony na powierzchni włosów są przyciągane bardziej do atomów na powierzchni swetra niż elektrony na powierzchni swetra są przyciągane do atomów na powierzchni włosów. Włosy lub inne podobnie naładowane przedmioty będą również przyciągane do neutralnie naładowanych powierzchni.
słaba siła
słaba siła jest słabsza niż elektromagnetyczna. Tak jak gluony przenoszą silną siłę, tak bozony W i Z przenoszą słabą siłę. Są to cząstki elementarne, które są emitowane lub absorbowane. Bozony W ułatwiają proces rozpadu promieniotwórczego, podczas gdy bozony Z nie wpływają na cząstki, z którymi się stykają, poza przenoszeniem pędu. Datowanie węglowe, proces określania wieku materii organicznej, jest możliwe dzięki słabej sile. Służy do ustalenia wieku historycznych artefaktów i opiera się na ocenie rozpadu węgla obecnego w tej materii organicznej.
siła grawitacji jest najsłabsza z czterech. Utrzymuje obiekty astronomiczne w swoich pozycjach we wszechświecie, jest odpowiedzialny za pływy i powoduje, że obiekty spadają na ziemię po uwolnieniu. Jest to siła, która działa na przedmioty, przyciągając je do siebie. Siła tego przyciągania wzrasta wraz z masą obiektu. Podobnie jak inne siły, uważa się, że pośredniczą w niej cząstki, grawitony, ale te cząstki nie zostały jeszcze wykryte. Grawitacja wpływa na sposób poruszania się obiektów astronomicznych, a ruch można obliczyć na podstawie masy otaczających obiektów. Zależność ta pozwoliła naukowcom przewidzieć istnienie Neptuna obserwując ruch Urana zanim Neptun został dostrzeżony w teleskopie. Było tak dlatego, że ruch Urana był niezgodny z jego przewidywanym ruchem, opierając się na znanych wówczas obiektach astronomicznych, dlatego naukowcy wydedukowali, że inna planeta, jeszcze niewidoczna, musi wpływać na jej wzorce ruchu.
zgodnie z teorią względności, grawitacja zmienia również kontinuum czasoprzestrzeni, czterowymiarową przestrzeń, w której istnieje wszystko, w tym ludzie. Zgodnie z tą teorią krzywizna czasoprzestrzeni zwiększa się wraz z masą, dzięki czemu łatwiej jest ją zauważyć w przypadku obiektów tak dużych jak planety lub większych w masie. Krzywizna ta została udowodniona eksperymentalnie i można ją zobaczyć, gdy porównane są dwa zsynchronizowane Zegary, gdzie jeden jest nieruchomy i jeden porusza się na znaczną odległość wzdłuż ciała o dużej masie. Na przykład, jeśli zegar porusza się po orbicie Ziemi, jak w eksperymencie Hafele–Keating, to czas, który pokazuje, będzie za stacjonarnym zegarem, ponieważ krzywizna czasoprzestrzeni powoduje, że czas biegnie wolniej dla zegara w ruchu.
siła grawitacji powoduje, że obiekty przyspieszają, gdy spadają w kierunku innego obiektu, co jest zauważalne, gdy różnica w masie między nimi jest duża. Przyspieszenie to można obliczyć na podstawie masy obiektów. Dla obiektów spadających w kierunku Ziemi wynosi ona około 9,8 metra na sekundę do kwadratu.
pływy
pływy są przykładami siły grawitacji w działaniu. Są one spowodowane przez siły grawitacyjne Księżyca, Słońca i ziemi. W przeciwieństwie do obiektów stałych, woda może łatwo zmieniać kształt, gdy działają na nią siły. Dlatego kiedy siły grawitacyjne Księżyca i słońca działają na Ziemię, powierzchnia ziemi nie jest przyciągana przez te siły tak bardzo, jak woda. Księżyc i słońce poruszają się po niebie, a woda na Ziemi podąża za nimi, powodując przypływy. Siły działające na wodę nazywane są siłami pływowymi; są to różne siły grawitacyjne. Księżyc, będąc bliżej Ziemi, ma silniejszą siłę pływową w porównaniu do Słońca. Kiedy siły pływowe słońca i Księżyca działają w tym samym kierunku, przypływ jest najsilniejszy i nazywany jest przypływem wiosennym. Gdy te dwie siły są w opozycji, przypływ jest najsłabszy i nazywany jest przypływem neap.
pływy zdarzają się z różną częstotliwością w zależności od obszaru geograficznego. Ponieważ grawitacja Księżyca i słońca przyciąga zarówno wodę, jak i całą planetę Ziemię, w niektórych obszarach pływy występują zarówno wtedy, gdy siła grawitacji przyciąga wodę i ziemię w tych samych lub różnych kierunkach. W tym przypadku para wysoka i odpływowa zdarza się dwa razy w ciągu jednego dnia. W niektórych obszarach zdarza się to tylko raz dziennie. Wzory pływów na wybrzeżu zależą od kształtu wybrzeża, wzorów głębokich fal oceanicznych oraz położenia księżyca i słońca, a także interakcji ich sił grawitacyjnych. W niektórych miejscach czas między pływami może trwać nawet kilka lat. W zależności od linii brzegowej i głębokości oceanu, pływy mogą powodować prądy, burze, zmiany wiatrów i wahania ciśnienia powietrza. Niektóre miejsca używają specjalnych zegarów, aby obliczyć, kiedy nastąpi następny przypływ. Są one konfigurowane na podstawie wystąpień pływów w danym obszarze i muszą zostać przekonfigurowane po przeniesieniu do innej lokalizacji. W niektórych obszarach Zegary pływów nie są skuteczne, ponieważ pływów nie można łatwo przewidzieć.
Siła pływowa, która przenosi wodę do i z brzegu, jest czasami używana do generowania energii. Młyny pływowe używały tej siły od wieków. Podstawowa konstrukcja ma zbiornik na wodę, a woda jest wpuszczana podczas przypływu i odpływu. Energia kinetyczna przepływającej wody porusza koło młyna, a wygenerowana moc jest wykorzystywana do wykonywania prac, na przykład mielenia ziaren na mąkę. Chociaż istnieje wiele problemów z tym systemem, w tym zagrożenia dla ekosystemu, w którym zbudowany jest ten młyn,ta metoda wytwarzania energii ma potencjał, ponieważ jest odnawialnym i niezawodnym źródłem energii.
siły nie fundamentalne
siły będące pochodnymi sił fundamentalnych nazywane są siłami nie fundamentalnymi.
Siła normalna
jedną z sił innych niż podstawowe jest siła normalna, która działa prostopadle do powierzchni obiektu i wypycha na zewnątrz, opierając się naciskom innych obiektów. Gdy obiekt jest umieszczony na powierzchni, wielkość normalnej siły jest równa sile netto naciskającej na powierzchnię. Na płaskiej powierzchni, gdy siły inne niż grawitacja są w równowadze, Siła normalna jest równa sile grawitacji w wielkości i w przeciwnym kierunku. Suma wektorowa obu sił wynosi wtedy zero, a obiekt jest nieruchomy lub porusza się ze stałą prędkością. Gdy obiekt znajduje się na pochyłości, a inne siły są w równowadze, suma sił grawitacyjnych i normalnych kieruje się w dół (ale nie bezpośrednio w dół, prostopadle do horyzontu), a obiekt ślizga się w dół, wzdłuż nachylenia.
tarcie
tarcie jest siłą równoległą do powierzchni obiektu i przeciwną do jego ruchu. Występuje, gdy dwa obiekty ślizgają się względem siebie (tarcie kinetyczne) lub gdy nieruchomy obiekt jest umieszczony na pochylonej powierzchni (tarcie statyczne). Siła ta jest wykorzystywana podczas ustawiania obiektów w ruchu, na przykład kół przyczepność do podłoża z powodu tarcia. Bez niego nie byliby w stanie napędzać pojazdów. Tarcie między gumą opon a podłożem jest wystarczająco silne, aby zapewnić, że opony nie ślizgają się po ziemi i pozwalają na ruch toczny i lepszą kontrolę kierunku ruchu. Tarcie tocznego przedmiotu, tarcie toczne lub opór toczenia nie jest tak silne jak suche tarcie dwóch przedmiotów ślizgających się o siebie. Tarcie stosuje się przy zatrzymywaniu za pomocą hamulców-koła pojazdu są spowalniane przez suche tarcie w hamulcach tarczowych lub bębnowych. W niektórych przypadkach tarcie jest niepożądane, ponieważ spowalnia ruch i zużywa elementy mechaniczne. Ciecze lub gładkie powierzchnie są stosowane w celu zminimalizowania tarcia.
interesujące fakty na temat sił
siły mogą odkształcać ciała stałe lub zmieniać objętość i ciśnienie w cieczach i gazach. Dzieje się tak, gdy siły są przyłożone nierównomiernie do różnych części obiektu lub substancji. W niektórych przypadkach, gdy wystarczająca siła zostanie przyłożona do ciężkiego obiektu, może on zostać ściśnięty w bardzo małą kulę. Jeśli ta sfera jest wystarczająco mała, mniejsza od pewnego promienia, może powstać czarna dziura. Promień ten nazywany jest promieniem Schwarzschilda. Zmienia się w zależności od masy obiektu i można go obliczyć za pomocą wzoru. Objętość tej kuli jest tak mała, że w porównaniu z masą obiektu jest prawie zerowa. Ponieważ masa czarnych dziur jest tak silnie skondensowana, mają one bardzo duże przyciąganie grawitacyjne, tak że inne obiekty nie mogą z niej uciec, ani światło. Czarne dziury nie odbijają żadnego światła, więc wydają się być całkowicie czarne. Dlatego nazywane są czarnymi dziurami. Naukowcy uważają, że duże gwiazdy pod koniec życia zamieniają się w czarne dziury i mogą rosnąć masowo poprzez absorbowanie innych obiektów znajdujących się w danym promieniu.
