11 различных типов сил
В физике сила может быть определена как толчок или тяга на любой объект, который имеет массу. Это меняет движение объекта.
Другими словами, сила заставляет объект с массой изменить свое направление и скорость.
Два великих физика Исаак Ньютон и Галилео Галилей описали поведение сил математически. В 1638 году Галилей провел эксперимент на наклонной плоскости, который произвел революцию в способе измерения силы. Пять десятилетий спустя Ньютон разработал законы движения, которые заложили основу классической механики.
Поскольку сила имеет и величину, и направление, она является векторной величиной. Она представлена символом F и измеряется в единице СИ Ньютона (N).
Силы можно разделить на две группы в зависимости от их применения:
- Контактная сила: действует на тело напрямую или через среду.
- Бесконтактная сила: действует через пространства без прямого контакта с телом.
Чтобы лучше объяснить это явление, мы описали все различные типы сил на примерах. Давайте начнем с четырех фундаментальных сил в природе.
1. Гравитационная сила
Тип: бесконтактная сила
Гравитационная сила — это то, что притягивает два объекта с массой. Она действует на каждый объект, включая вас, во Вселенной.
Величина гравитационной силы, оказываемой объектами друг на друга, "прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними". Чем массивнее объекты и меньше расстояние между ними, тем выше сила.
Это самая слабая из четырех фундаментальных сил, обнаруженных в природе.
Хотя гравитационная сила не оказывает существенного влияния на субатомном масштабе, она является доминирующим взаимодействием на макроскопическом масштабе и существенно влияет на формирование, строение и траекторию небесных тел.
Пример: гравитация заставляет яблоко падать с дерева; она заставляет Луну вращаться вокруг Земли; она удерживает газы на Солнце.
2. Электромагнитная сила
Тип: Бесконтактная сила
Это вид взаимодействия, которое происходит между электрически заряженными частицами. Электромагнитные поля (создаваемые движущимися электрическими зарядами) несут в себе электромагнитную силу.
Электричество и магнетизм связаны друг с другом: текущие электроны создают магнетизм, а движущиеся магниты генерируют электричество. Отношения между ними очень хорошо объяснены Джеймсом Клерком Максвеллом и количественно определены в его .
Пример: Наиболее распространенным примером электромагнетизма является свет, поскольку он распространяется (излучается) в пространстве, перенося энергию электромагнитного излучения.
Следующим наиболее распространенным примером могут быть силы, действующие между электрически заряженными атомными ядрами и электронами атомов.
3. Сильная ядерная сила
Тип: Бесконтактная сила
В ядерной физике и физике элементарных частиц сильное взаимодействие отвечает за структурную целостность атомных ядер. Поскольку все протоны имеют положительный заряд, они отталкиваются друг от друга. Сильное ядерное взаимодействие удерживает эти отталкивающие протоны вместе, так что они могут образовать атомное ядро.
Около 99% массы нейтрона или протона является результатом энергии сильного силового поля.
Это самая сильная сила в природе, действующая на расстоянии 1 фемтометра ( 10–15 м). Он почти в 137 раз сильнее электромагнетизма и в 100 миллиардов (10 38) раз сильнее, чем сила гравитации.
Пример: Сильная ядерная сила связывает кварки с адронными частицами, такими как протон и нейтрон, для создания атомного ядра. Это сила, которая соединяет обычную материю.
В более широком масштабе она используется на атомных электростанциях для производства тепла с целью выработки электроэнергии. Она также ответственна за огромную разрушительную мощь ядерного оружия. Из-за этой силы ядерное оружие при взрыве высвобождает экстремальное количество энергии.
4. Слабая ядерная сила
Тип: Бесконтактная сила
В ядерной физике слабое взаимодействие относится к взаимодействию между субатомными частицами, которое вызывает радиоактивный распад атомов. Более конкретно, он отвечает за распад некоторых нуклонов на лептоны и другие типы адронов.
Его напряженность поля примерно в 10 13 раз меньше, чем у сильной ядерной силы. Тем не менее он значительно сильнее, чем гравитационная сила на коротких расстояниях.
Пример: Наиболее известным эффектом действия слабой силы является бета-распад (нейтронов) и связанная с ним радиоактивность. Она возникает в нескольких различных реакциях, включая сжигание Солнца и радиоуглеродное датирование.
Это четыре фундаментальные (бесконтактные) силы, из которых происходит все остальное. Они поддерживают горение звезд и вращение планет. Без них вселенная, которую мы знаем, не существовала бы, и даже если бы она существовала, это было бы совершенно другое место.
Теперь давайте перейдем к неосновным силам, которые возникают в результате прямого физического взаимодействия между двумя объектами.
5. Прикладная сила
Тип: Контактная сила
Как следует из названия, это сила, которую вы применяете к объекту. Объект начинает двигаться, когда величина силы преодолевает инерцию объекта.
Тело остается в покое или в равномерном движении по прямой линии, если к ним не приложена внешняя сила, которая изменяет состояние движения и направление тела. Ускорение тела прямо пропорционально приложенной силе.
Пример: Сила, приложенная к ящику человеком.
6. Сила трения
Тип: Контактная сила
Поверхностная сила, противостоящая относительному движению тела, называется силой трения. Поскольку в реальном мире ни один объект не является абсолютно гладким, всегда существует некоторое трение между двумя поверхностями. Его величина пропорциональна коэффициенту трения материала поверхности.
Двумя основными типами сил трения являются статические (сила трения о неподвижный объект) и кинетические (сила трения о движущийся объект). Сопротивление воздуха также является силой трения, которая действует на объекты, когда они перемещаются по воздуху.
Оно всегда действует в направлении, противоположном движению, и преобразует кинетическую энергию в тепловую энергию (работа в тепло). В целом, трение является критической и желательной силой, которая обеспечивает сцепление для облегчения движения по суше.
Пример: Примером трения является скольжение каботажа по столу, скольжение двух карт в колоде друг о друга и трение руки для получения тепла.
7. Нормальная сила
Тип: Контактная сила
Когда две поверхности находятся в контакте, они оказывают нормальное воздействие друг на друга. Термин «нормальный» относится к перпендикулярному. Это означает, что сила направлена перпендикулярно двум контактирующим поверхностям.
Пример: когда ноутбук стоит на столе, обычная сила удерживает его от падения через стол. Гравитационная сила Земли тянет ноутбук вниз, но поскольку он на самом деле не падает, должна быть сила, постоянно толкающая его вверх. Это то, что мы называем нормальной силой.
Она исходит от электромагнитной силы: электроны ноутбука толкают электроны стола. Поскольку все электроны отрицательно заряжены, они не становятся намного ближе друг к другу, и ноутбук опирается на верхнюю часть стола.
8. Сила натяжения
Тип: Контактная сила
Сила натяжения обычно передается через провод, кабель, струну или веревку, когда она плотно натягивается силами, действующими с противоположных концов. Усилие направлено вдоль длины кабеля.
Натяжение можно также определить как действие-реакция пары сил, действующих на каждом конце кабеля. Это противоположность сжатия.
Пример: веревка, тянущая коробку или коробку, висящую на веревке, будет отличным примером натяжения (в веревке).
9. Сила упругости
Тип: Контактная сила
Сила упругости — это сила, прилагаемая натянутой или сжатой струной к объекту, который к ней прикреплен.
Способность пружины противостоять искажающему воздействию и возвращаться в исходное состояние при снятии воздействия зависит от ее материала, количества витков и диаметра проволоки, образующей витки. Как правило, эти характеристики количественно выражаются в параметре, называемом постоянной пружины "k".
Для всех пружин, подчиняющихся закону Гука, величина силы прямо пропорциональна постоянной пружины (k) и сжатой/растянутой длине (x).
Пример: Автомобильные амортизаторы изготовлены из пружин. Они предназначены для поглощения ударных импульсов путем преобразования кинетической энергии удара в другую форму энергии (например, тепло), которая затем рассеивается.
10. Центростремительная сила
Тип: Бесконтактная сила
Центростремительная сила действует на объекты, ускоряющиеся в круговом движении. Это сила, которая заставляет объект следовать по изогнутому пути.
Направление этой силы всегда направлено к фиксированной точке мгновенного центра кривизны траектории и ортогонально движению объекта.
Пример: Два наиболее распространенных примера центростремительной силы — это вращение автомобиля и Земля, вращающаяся вокруг Солнца. В первом случае центростремительная сила обеспечивается за счет трения между колесами и землей, а во втором — за счет силы тяжести.
11. Сила инерции
Тип: Бесконтактная сила
Сила инерции (также называемые инерционная сила) являются очевидными силами, действующими на массы, движение которых описывается с использованием неинерциальной системы отсчета, включая вращающуюся систему отсчета.
Это вступает в силу, когда система отсчета начала ускорение. Термин «инерционная сила» имеет точное значение для ньютоновской механики — фактически он всегда пропорционален массе объекта, на который он действует.
Пример: силы, которые вы испытываете в движущемся автомобиле, являются повседневными примерами сил инерции. Когда автомобиль разгоняется в переднем направлении, он толкает вас обратно на сиденье. Когда автомобиль делает резкие повороты, он бросает вас из стороны в сторону. Эти влияния возникают из-за того, что естественная система отсчета для данной ситуации сама ускоряется.