översikt
fysik definierar kraft som ett inflytande som förändrar kroppens rörelse, vare sig det är yttre rörelse eller rörelse i kroppen, som att ändra dess form. Till exempel, när en sten släpps, faller den ner eftersom den dras av jordens tyngdkraft. Under påverkan böjer den grässtrån som den faller på-kraften i stenens vikt får dem att röra sig och ändra sin form.
kraft är en vektor, vilket betyder att den har en riktning. När flera krafter verkar på ett objekt och drar det i olika riktningar kan dessa krafter vara i jämvikt, vilket innebär att deras vektorsumma är noll. I det här fallet skulle objektet vara i vila. Stenen från det tidigare exemplet kan rulla efter att den träffar marken, men det kommer så småningom att sluta. Tyngdkraften drar fortfarande ner den, men samtidigt trycker den normala kraften, eller markreaktionskraften, upp stenen. Nettosumman av dessa krafter är noll, de är i jämvikt och stenen rör sig inte.
si-kraftenheten är newton. En newton motsvarar nettokraften som accelererar ett objekt med massan av ett kilo med en meter per sekund i kvadrat.
jämvikt
en av de första forskarna som undersökte krafter och skapade en modell för deras interaktion med materia i universum var Aristoteles. Enligt hans modell, om nettovektorsumman av krafterna som verkar på ett objekt är noll, är krafterna i jämviktstillstånd och objektet är stillastående. Denna modell korrigerades senare för att inkludera föremål som rör sig med konstant hastighet när krafterna är i jämvikt. Denna typ av jämvikt kallas dynamisk jämvikt, medan den med objektet i vila kallas statisk jämvikt.
grundläggande krafter i universum
krafter i naturen får föremål att röra sig eller stanna på plats. Det finns fyra grundläggande krafter i naturen: stark, elektromagnetisk, svag och gravitation. Alla andra krafter är delmängder av dessa fyra. Till skillnad från elektriska och gravitationskrafter påverkar starka och svaga krafter endast materia på kärnnivå. De arbetar inte över stora avstånd.
stark kraft
stark kraft är den starkaste av de fyra krafterna. Det verkar på elementen i atomens kärna och håller neutroner och protoner tillsammans. Denna kraft bärs av gluoner och binder kvarkar tillsammans för att bilda större partiklar. Kvarkar bildar neutroner, protoner och andra större partiklar. Gluoner är mindre elementära partiklar, som inte har någon understruktur, och rör sig mellan kvarkar som kraftbärare. Gluons rörelse skapar stark kraft mellan kvarkar. Detta är den kraft som utgör materia i universum.
elektromagnetisk kraft
elektromagnetisk kraft är den näst starkaste kraften. Det är en interaktion mellan partiklar med motsatta eller samma elektriska laddningar. När två partiklar har samma laddning, det vill säga de är båda positiva eller båda negativa, avvisar de varandra. Om de å andra sidan har motsatt laddning, där man är positiv och en är negativ, lockas de till varandra. Denna rörelse av partiklar, som avvisas eller lockas till andra partiklar, är elektricitet — ett fysiskt fenomen som vi använder i vårt dagliga liv och i det mesta av tekniken.
den elektromagnetiska kraften kan redogöra för kemiska reaktioner, ljus och elektricitet samt interaktioner mellan molekyler, atomer och elektroner. Dessa interaktioner mellan partiklar är ansvariga för de former som fasta föremål tar i världen. Den elektromagnetiska kraften förhindrar att två fasta föremål tränger igenom varandra eftersom elektronerna i ett objekt stöter bort elektronerna med samma laddning som det andra objektet. Historiskt behandlades elektriska och magnetiska krafter som separata influenser, men så småningom upptäcktes att de är relaterade. De flesta objekt har en neutral laddning, men det är möjligt att ändra laddningen av ett objekt genom att gnugga två objekt tillsammans. Elektronerna kommer att resa mellan de två materialen och lockas till de motsatt laddade elektronerna i det andra materialet. Detta kommer att lämna mer av samma laddningselektroner på ytan av varje objekt, vilket förändrar objektets dominerande laddning totalt sett. Till exempel, om man gnuggar håret med en tröja och sedan lyfter tröjan bort, kommer håret att stå upp och ”följa” tröjan. Detta beror på att elektroner på hårets yta lockas mer till atomerna på tröjans yta än elektroner på tröjans yta lockas till atomerna på hårets yta. Hår eller andra liknande laddade föremål kommer också att lockas till de neutralt laddade ytorna också.
svag kraft
svag kraft är svagare än den elektromagnetiska. Precis som gluoner bär den starka kraften, bär W och Z bosoner den svaga kraften. De är elementära partiklar som emitteras eller absorberas. W-bosoner underlättar processen för radioaktivt sönderfall, medan Z-bosonerna inte påverkar partiklarna som de kommer i kontakt med, annat än att överföra momentum. Kol dejting, en process för att bestämma åldern på organiskt material, är möjligt på grund av den svaga kraften. Det används för att fastställa åldern på historiska artefakter och bygger på att utvärdera förfallet av kol som finns i detta organiska material.
Gravitationskraft
gravitationskraften är den svagaste av de fyra. Det håller de astronomiska föremålen i sina positioner i universum, ansvarar för tidvatten och får föremål att falla på marken när de släpps. Det är kraften som verkar på föremål och lockar dem till varandra. Styrkan hos denna attraktion ökar med objektets massa. Liksom de andra krafterna tros det förmedlas av partiklar, gravitoner, men dessa partiklar har inte detekterats ännu. Gravitation påverkar hur astronomiska objekt rör sig, och rörelsen kan beräknas, baserat på massan av de omgivande objekten. Detta beroende gjorde det möjligt för forskare att förutsäga Neptuns existens genom att titta på Uranus rörelse innan Neptunus sågs i teleskopet. Detta berodde på att Uranus rörelse var inkonsekvent med sin förutspådda rörelse, baserat på de astronomiska föremål som var kända vid den tiden, därför drog forskare att en annan planet, men osynlig, måste påverka dess rörelsemönster.
enligt relativitetsteorin förändrar gravitationen också rumtidskontinuumet, det fyrdimensionella rummet, där allt, inklusive människor, existerar. Enligt denna teori ökar krökningen av rymdtid med massa, och på grund av det är det lättare att märka med föremål så stora som planeter eller större i massa. Denna krökning bevisades experimentellt och kan ses när två synkroniserade klockor jämförs, där man är stillastående och man rör sig för ett avsevärt avstånd längs en kropp med stor massa. Till exempel, om klockan flyttas runt jordens bana, som i Hafele–Keating-experimentet, kommer tiden den visar att ligga bakom den stationära klockan, eftersom rumtidskurvaturen gör att tiden går långsammare för klockan i rörelse.
tyngdkraften får objekt att accelerera när de faller mot ett annat objekt, och detta märks när skillnaden i Massa mellan de två är stor. Denna acceleration kan beräknas baserat på objektets massa. För föremål som faller mot jorden är det cirka 9,8 meter per sekund kvadrat.
tidvatten
tidvatten är exempel på gravitationskraft i aktion. De orsakas av månens, solens och jordens gravitationskrafter. Till skillnad från fasta föremål kan vatten lätt ändra form när krafter verkar på det. Därför när gravitationskrafter av månen och solen verkar på jorden, får markytan inte dras av dessa krafter så mycket som vattnet gör. Månen och solen rör sig över himlen, och vattnet på jorden följer dem och orsakar tidvatten. De krafter som verkar på vattnet kallas tidvattenkrafter; de är en mängd gravitationskrafter. Månen, närmare jorden, har en starkare tidvattenkraft jämfört med solen. När solens och månens tidvattenstyrkor verkar i samma riktning är tidvattnet det starkaste och kallas en vårvatten. När dessa två krafter är i opposition är tidvattnet det svagaste och kallas en neap-tidvatten.
tidvatten händer med en annan frekvens beroende på det geografiska området. Eftersom månens och solens gravitation drar både vattnet och hela planeten jorden, uppstår tidvatten i vissa områden både när gravitationskraften drar vattnet och jorden i samma eller olika riktningar. I detta fall händer hög-och lågvattenparet två gånger på en dag. På vissa områden händer detta bara en gång om dagen. Tidvattenmönster på kusten beror på kustens form, Djuphavets tidvattenmönster och månens och solens läge, liksom interaktionen mellan deras gravitationskrafter. På vissa platser kan tiden mellan tidvatten vara upp till flera år. Beroende på kusten och havets djup kan tidvatten orsaka strömmar, stormar, förändringar i vindmönster och fluktuationer i lufttrycket. Vissa platser använder speciella klockor för att beräkna när nästa tidvatten kommer att hända. De är konfigurerade baserat på tidvattenhändelserna i området och måste konfigureras om när de flyttas till en annan plats. I vissa områden är tidvattenklockor inte effektiva eftersom tidvatten inte kan förutsägas lätt där.
tidvattenkraften som flyttar vatten till och från stranden används ibland för att generera kraft. Tidvattenfabriker har använt denna kraft i århundraden. Grundkonstruktionen har en vattenreservoar, och vattnet släpps in vid högvatten och ut vid lågvatten. Den kinetiska energin i det strömmande vattnet rör kvarnens hjul och den genererade kraften används för att utföra arbete, till exempel slipning av korn i mjöl. Även om det finns ett antal problem med detta system, inklusive faror för ekosystemet där denna kvarn är byggd, har denna metod för att generera energi potential, eftersom den är en förnybar och pålitlig kraftkälla.
icke-grundläggande krafter
de krafter som är derivat av de grundläggande krafterna kallas icke-grundläggande krafter.
Normal kraft
en av de icke-grundläggande krafterna är den normala kraften, som verkar vinkelrätt mot objektets yta och skjuter utåt och motstår trycket från andra föremål. När ett föremål placeras på en yta är storleken på den normala kraften lika med nätkraften som pressar mot ytan. På en plan yta, när andra krafter än tyngdkraften är i jämvikt, är den normala kraften lika med gravitationskraften i storlek och motsatt i riktning. Vektorsumman av de två krafterna är då noll och objektet är stillastående eller rör sig med konstant hastighet. När objektet är i lutning och andra krafter är i jämvikt pekar summan av gravitationella och normala krafter nedåt (men inte direkt ner, vinkelrätt mot horisonten) och objektet glider ner längs lutningen.
friktion
friktion är en kraft parallell med ytan på ett objekt och mittemot dess rörelse. Det uppstår när två föremål glider mot varandra (kinetisk friktion) eller när ett stationärt föremål placeras på en lutande yta (statisk friktion). Denna kraft används vid inställning av föremål i rörelse, till exempel, hjul grepp till marken på grund av friktion. Utan det hade de inte kunnat driva fordon. Friktionen mellan däckens gummi och marken är tillräckligt stark för att säkerställa att däcken inte glider längs marken och möjliggör rullande rörelse och bättre kontroll av rörelseriktningen. Friktion av ett rullande föremål, rullande friktion eller rullande motstånd, är inte lika stark som den torra friktionen hos två föremål som glider mot varandra. Friktion används vid stopp med användning av raster — fordonets hjul bromsas av torr friktion i skivan eller trumbromsarna. I vissa fall är friktion oönskad eftersom den saktar ner rörelsen och sliter ut mekaniska komponenter. Vätskor eller släta ytor används för att minimera friktion.
intressanta fakta om krafter
krafter kan deformera fasta föremål eller ändra volym och tryck i vätskor och gaser. Detta händer när krafter appliceras ojämnt på olika delar av objektet eller ämnet. I vissa fall när tillräckligt med kraft appliceras på ett tungt föremål kan det komprimeras till en mycket liten sfär. Om denna sfär är tillräckligt liten, mindre än en viss radie, kan ett svart hål bildas. Denna radie kallas Schwarzschild-radien. Det varierar beroende på objektets massa och kan beräknas med en formel. Denna sfärs volym är så liten, att jämfört med objektets massa är det nästan noll. Eftersom massan av svarta hål är så mycket kondenserad har de en extremt hög gravitation, så att andra föremål inte kan undkomma det och inte heller kan tända. Svarta hål reflekterar inte något ljus, så de verkar vara helt svarta. Det är därför de kallas svarta hål. Forskare tror att stora stjärnor i slutet av sitt liv blir svarta hål och kan växa i massa genom att absorbera andra föremål som ligger inom en given radie.
