Prezentare generală
fizica definește forța ca o influență care schimbă mișcarea unui corp, fie că este vorba de mișcare externă sau mișcare în interiorul corpului, cum ar fi schimbarea formei sale. De exemplu, atunci când o piatră este eliberată, aceasta cade pentru că este trasă de forța gravitațională a Pământului. În timpul impactului, îndoaie lamele de iarbă pe care cade — forța greutății pietrei îi face să se miște și să-și schimbe forma.
forța este un vector, ceea ce înseamnă că are o direcție. Când mai multe forțe acționează asupra unui obiect și îl trag în direcții diferite, aceste forțe pot fi în echilibru, ceea ce înseamnă că suma lor vectorială este zero. În acest caz, obiectul ar fi în repaus. Piatra din exemplul anterior se poate rostogoli după ce lovește pământul, dar în cele din urmă se va opri. Forța gravitațională încă o trage în jos, dar în același timp forța normală, sau forța de reacție la sol, împinge piatra în sus. Suma netă a acestor forțe este zero, ele sunt în echilibru, iar piatra nu se mișcă.
unitatea de forță SI este newton. Un newton corespunde forței nete care accelerează un obiect cu masa de un kilogram cu un metru pe secundă pătrat.
Equilibrium
unul dintre primii oameni de știință care a investigat forțele și a creat un model al interacțiunii lor cu materia din Univers a fost Aristotel. Conform modelului său, dacă suma vectorială netă a forțelor care acționează asupra unui obiect este zero, forțele sunt în stare de echilibru și obiectul este staționar. Acest model a fost ulterior corectat pentru a include obiecte care se mișcă la o viteză constantă atunci când forțele sunt în echilibru. Acest tip de echilibru se numește echilibru dinamic, în timp ce cel cu obiectul în repaus se numește echilibru static.
forțele fundamentale din Univers
forțele din natură determină obiectele să se miște sau să rămână pe loc. Există patru forțe fundamentale în natură: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Toate celelalte forțe sunt subseturi ale acestor patru. Spre deosebire de forțele electrice și gravitaționale, forțele puternice și slabe afectează materia doar la nivel nuclear. Nu funcționează pe distanțe mari.
forța puternică
forța puternică este cea mai puternică dintre cele patru forțe. Acționează asupra elementelor nucleului atomului, menținând neutronii și protonii împreună. Această forță este purtată de gluoni și leagă quarcii împreună pentru a forma particule mai mari. Quarcii formează neutroni, protoni și alte particule mai mari. Gluonii sunt particule elementare mai mici, care nu au substructură și se deplasează între quarci ca purtători de forță. Mișcarea gluonilor creează o forță puternică între quarci. Aceasta este forța care formează materia în univers.
forța electromagnetică
forța electromagnetică este a doua cea mai puternică forță. Este o interacțiune între particule cu sarcini electrice opuse sau aceleași. Când două particule au aceeași încărcătură, adică ambele sunt pozitive sau ambele negative, se resping reciproc. Dacă, pe de altă parte, au sarcina opusă, unde una este pozitivă și una negativă, sunt atrași unul de celălalt. Această mișcare a particulelor, care sunt respinse sau atrase de alte particule, este electricitatea — un fenomen fizic pe care îl folosim în viața noastră de zi cu zi și în cea mai mare parte a tehnologiei.
forța electromagnetică poate explica reacțiile chimice, lumina și electricitatea, precum și interacțiunile dintre molecule, atomi și electroni. Aceste interacțiuni între particule sunt responsabile pentru formele pe care obiectele solide le iau în lume. Forța electromagnetică împiedică două obiecte solide să se pătrundă reciproc, deoarece electronii dintr-un obiect resping electronii aceleiași sarcini a celuilalt obiect. Din punct de vedere istoric, forțele electrice și magnetice au fost tratate ca influențe separate, dar în cele din urmă s-a descoperit că acestea sunt legate. Majoritatea obiectelor au o sarcină neutră, dar este posibil să schimbați sarcina unui obiect frecând două obiecte împreună. Electronii se vor deplasa între cele două materiale, fiind atrași de electronii încărcați opus din celălalt material. Acest lucru va lăsa mai mulți electroni de sarcină pe suprafața fiecărui obiect, schimbând astfel sarcina dominantă a obiectului în general. De exemplu, dacă se freacă părul cu un pulover și apoi se ridică puloverul, părul se va ridica și va „urma” puloverul. Acest lucru se datorează faptului că electronii de pe suprafața părului sunt atrași mai mult de atomii de pe suprafața puloverului decât electronii de pe suprafața puloverului sunt atrași de atomii de pe suprafața părului. Părul sau alte obiecte încărcate similar vor fi, de asemenea, atrase și de suprafețele încărcate neutru.
forța slabă
forța slabă este mai slabă decât cea electromagnetică. La fel cum gluonii poartă forța puternică, bosonii W și Z poartă forța slabă. Sunt particule elementare care sunt emise sau absorbite. Bosonii W facilitează procesul de dezintegrare radioactivă, în timp ce bosonii Z nu afectează particulele cu care vin în contact, altele decât transferul impulsului. Datarea cu Carbon, un proces de determinare a vârstei materiei organice, este posibilă din cauza forței slabe. Este folosit pentru a stabili vârsta artefactelor istorice și se bazează pe evaluarea degradării carbonului prezent în această materie organică.
Forța Gravitațională
forța gravitațională este cea mai slabă dintre cele patru. Păstrează obiectele astronomice în pozițiile lor în univers, este responsabil pentru maree și face ca obiectele să cadă pe pământ atunci când sunt eliberate. Este forța care acționează asupra obiectelor, atrăgându-le unul către celălalt. Puterea acestei atracții crește odată cu masa obiectului. Ca și celelalte forțe, se crede că este mediată de particule, gravitoni, dar aceste particule nu au fost încă detectate. Gravitația afectează modul în care se mișcă obiectele astronomice, iar mișcarea poate fi calculată, pe baza masei obiectelor din jur. Această dependență a permis oamenilor de știință să prezică existența lui Neptun urmărind mișcarea lui Uranus înainte ca Neptun să fie văzut în telescop. Acest lucru se datorează faptului că mișcarea lui Uranus era incompatibilă cu mișcarea sa prezisă, bazată pe obiectele astronomice cunoscute la acea vreme, prin urmare oamenii de știință au dedus că o altă planetă, dar nevăzută, trebuie să-i afecteze modelele de mișcare.
conform teoriei relativității, gravitația schimbă și continuumul spațiu-timp, spațiul în patru dimensiuni, în care există totul, inclusiv oamenii. Conform acestei teorii, curbura spațiu-timpului crește odată cu masa și, din această cauză, este mai ușor de observat cu obiecte la fel de mari ca planetele sau cu o masă mai mare. Această curbură a fost dovedită experimental și poate fi văzută atunci când sunt comparate Două ceasuri sincronizate, unde unul este staționar și unul se mișcă pe o distanță considerabilă de-a lungul unui corp cu o masă mare. De exemplu, dacă ceasul este mutat în jurul orbitei Pământului, ca în experimentul Hafele–Keating, atunci timpul pe care îl arată va fi în spatele ceasului staționar, deoarece curbura spațiu-timp face ca timpul să curgă mai lent pentru ceasul în mișcare.
forța gravitațională determină accelerarea obiectelor atunci când cad spre un alt obiect, iar acest lucru se observă atunci când diferența de masă dintre cele două este mare. Această accelerație poate fi calculată pe baza masei obiectelor. Pentru obiectele care cad spre Pământ, este de aproximativ 9,8 metri pe secundă pătrat.
Maree
mareele sunt exemple de forță gravitațională în acțiune. Acestea sunt cauzate de forțele gravitaționale ale lunii, soarelui și Pământului. Spre deosebire de obiectele solide, apa își poate schimba forma cu ușurință atunci când forțele acționează asupra ei. Prin urmare, atunci când forțele gravitaționale ale lunii și ale soarelui acționează asupra Pământului, suprafața solului nu este atrasă de aceste forțe la fel de mult ca apa. Luna și soarele se mișcă pe cer, iar apa de pe Pământ le urmează, provocând maree. Forțele care acționează asupra apei se numesc forțe de maree; sunt o varietate de forțe gravitaționale. Luna, fiind mai aproape de pământ, are o forță de maree mai puternică în comparație cu soarele. Când forțele de maree ale soarelui și ale lunii acționează în aceeași direcție, valul este cel mai puternic și se numește maree de primăvară. Când aceste două forțe sunt în opoziție, valul este cel mai slab și se numește val neap.
mareele se întâmplă cu o frecvență diferită în funcție de aria geografică. Deoarece gravitația Lunii și a soarelui atrage atât apa, cât și întreaga planetă Pământ, în unele zone mareele apar atât atunci când forța gravitațională trage apa și pământul în direcții identice sau diferite. În acest caz, perechea de maree înaltă și joasă se întâmplă de două ori într-o singură zi. În unele zone, acest lucru se întâmplă doar o dată pe zi. Modelele de maree de pe coastă depind de forma coastei, de modelele de maree adânci ale oceanului și de locația Lunii și a soarelui, precum și de interacțiunea forțelor lor gravitaționale. În unele locații, durata timpului dintre maree poate dura până la câțiva ani. În funcție de coastă și de adâncimea oceanului, mareele pot provoca curenți, furtuni, modificări ale tiparelor vântului și fluctuații ale presiunii aerului. Unele locuri folosesc ceasuri speciale pentru a calcula când se va întâmpla următoarea maree. Acestea sunt configurate pe baza evenimentelor de maree din zonă și trebuie reconfigurate atunci când sunt mutate într-o altă locație. În unele zone, ceasurile de maree nu sunt eficiente, deoarece mareele nu pot fi prezise cu ușurință acolo.
forța mareelor care deplasează apa către și dinspre țărm este uneori folosită pentru a genera energie. Morile de maree au folosit această forță de secole. Construcția de bază are un rezervor de apă, iar apa este lăsată să intre la maree înaltă și să iasă la maree joasă. Energia cinetică a apei curgătoare mișcă roata morii, iar puterea generată este utilizată pentru a efectua lucrări, de exemplu, măcinarea boabelor în făină. Deși există o serie de probleme cu acest sistem, inclusiv pericole pentru ecosistemul în care este construită această Moară, această metodă de generare a energiei are potențial, deoarece este o sursă de energie regenerabilă și fiabilă.
forțe non-fundamentale
forțele care sunt derivate ale forțelor fundamentale sunt numite forțe non-fundamentale.
forța normală
una dintre forțele non-fundamentale este forța normală, care acționează perpendicular pe suprafața obiectului și împinge spre exterior, rezistând presiunii altor obiecte. Când un obiect este plasat pe o suprafață, magnitudinea forței normale este egală cu forța netă care apasă pe suprafață. Pe o suprafață plană, când alte forțe decât gravitația sunt în echilibru, forța normală este egală cu forța gravitațională în magnitudine și opusă în direcție. Suma vectorială a celor două forțe este apoi zero și obiectul este staționar sau se mișcă cu o viteză constantă. Când obiectul se află pe o înclinație și alte forțe sunt în echilibru, suma forțelor gravitaționale și normale indică în jos (dar nu direct în jos, perpendicular pe orizont), iar obiectul alunecă în jos, de-a lungul înclinației.
fricțiunea
fricțiunea este o forță paralelă cu suprafața unui obiect și opusă mișcării sale. Apare atunci când două obiecte alunecă unul împotriva celuilalt (frecare cinetică) sau când un obiect staționar este plasat pe o suprafață înclinată (frecare statică). Această forță este utilizată atunci când se pun obiecte în mișcare, de exemplu, roțile se prind de sol din cauza frecării. Fără ea, nu ar fi putut propulsa vehicule. Fricțiunea dintre cauciucul anvelopelor și sol este suficient de puternică pentru a se asigura că anvelopele nu alunecă de-a lungul solului și permite mișcarea de rulare și un control mai bun al direcției mișcării. Fricțiunea unui obiect de rulare, fricțiunea de rulare sau rezistența la rulare, nu este la fel de puternică ca fricțiunea uscată a două obiecte care alunecă unul împotriva celuilalt. Fricțiunea este utilizată la oprirea cu ajutorul pauzelor-roțile unui vehicul sunt încetinite prin frecare uscată în discul sau frânele cu tambur. În unele cazuri, frecarea este nedorită deoarece încetinește mișcarea și uzează componentele mecanice. Lichidele sau suprafețele netede sunt utilizate pentru a minimiza frecarea.
fapte interesante despre forțele
forțele pot deforma obiecte solide sau pot schimba volumul și presiunea în lichide și gaze. Acest lucru se întâmplă atunci când forțele sunt aplicate inegal diferitelor părți ale obiectului sau substanței. În unele cazuri, când se aplică suficientă forță unui obiect greu, acesta poate fi comprimat într-o sferă foarte mică. Dacă această sferă este suficient de mică, mai mică decât o anumită rază, atunci se poate forma o gaură neagră. Această rază se numește raza Schwarzschild. Acesta variază în funcție de masa obiectului și poate fi calculat folosind o formulă. Volumul acestei sfere este atât de mic, încât, în comparație cu masa obiectului, este aproape zero. Deoarece masa găurilor negre este atât de condensată, ele au o atracție gravitațională extrem de mare, astfel încât alte obiecte nu pot scăpa de ea și nici nu pot lumina. Găurile negre nu reflectă nicio lumină, deci par a fi complet negre. De aceea se numesc găuri negre. Oamenii de știință cred că stelele mari de la sfârșitul vieții lor se transformă în găuri negre și pot crește în masă absorbind alte obiecte care se află într-o anumită rază.
