Słowo „moc” jest tak wszechogarniające, że nadanie mu jasnej koncepcji jest prawie niewykonalnym zadaniem. Różnorodność od siły mięśni do siły umysłu nie obejmuje pełnego zakresu zainwestowanych w nią koncepcji. Siła, traktowana jako wielkość fizyczna, ma dobrze określone znaczenie i definicję. Wzór na siłę definiuje model matematyczny: zależność siły od głównych parametrów.
Historia badań sił obejmuje definicję zależności od parametrów i eksperymentalny dowód zależności.
Moc w fizyce
Siła jest miarą interakcji ciał. Wzajemne oddziaływanie ciał na siebie w pełni opisuje procesy związane ze zmianą prędkości lub deformacją ciał.
Jako wielkość fizyczna siła ma jednostkę miary (w układzie SI - Newton) oraz urządzenie do jej pomiaru - dynamometr. Zasada działania siłomierza opiera się na porównaniu siły działającej na ciało z siłą sprężyny dynamometru.
Siła 1 niutona to siła, przy której ciało o masie 1 kg zmienia swoją prędkość o 1 mw ciągu 1 sekundy.
Siła jako wielkość wektora jest zdefiniowana:
- kierunek działania;
- punkt aplikacji;
- moduł, absolutnyrozmiar.
Opisując interakcję, należy wskazać te parametry.
Rodzaje naturalnych interakcji: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne, słabe. Siły grawitacyjne (siła powszechnej grawitacji z jej różnorodnością - siła grawitacji) istnieją dzięki wpływowi pól grawitacyjnych otaczających każde ciało, które ma masę. Badania pól grawitacyjnych nie zostały dotychczas zakończone. Nie można jeszcze znaleźć źródła pola.
Większy zakres sił powstaje w wyniku oddziaływania elektromagnetycznego atomów tworzących materię.
Siła nacisku
Kiedy ciało wchodzi w interakcję z Ziemią, wywiera nacisk na powierzchnię. Siła nacisku, której wzór to: P=mg, jest określana przez masę ciała (m). Przyspieszenie grawitacyjne (g) ma różne wartości na różnych szerokościach geograficznych Ziemi.
Siła pionowego nacisku jest równa wartości bezwzględnej i przeciwna w kierunku siły sprężystości powstającej w podporze. Formuła siły zmienia się w zależności od ruchu ciała.
Zmiana masy ciała
Działanie ciała na podporze w wyniku interakcji z Ziemią jest często określane jako ciężar ciała. Co ciekawe, wielkość masy ciała zależy od przyspieszenia ruchu w kierunku pionowym. W przypadku, gdy kierunek przyspieszenia jest przeciwny do przyspieszenia swobodnego spadania, obserwuje się wzrost masy. Jeżeli przyspieszenie ciała zbiega się z kierunkiem swobodnego spadania, wówczas masa ciała maleje. Na przykład w windzie wznoszącej się, na początku wznoszenia, osoba odczuwa przez chwilę wzrost wagi. Potwierdź, że jego masazmiany, to nie. Jednocześnie oddzielamy pojęcia „masy ciała” i jego „masy”.
Siła sprężystości
Podczas zmiany kształtu ciała (jego deformacji) pojawia się siła, która przywraca ciało do jego pierwotnego kształtu. Siła ta została nazwana „siłą elastyczną”. Powstaje w wyniku oddziaływania elektrycznego cząstek tworzących ciało.
Rozważmy najprostszą deformację: rozciąganie i ściskanie. Naprężeniu towarzyszy wzrost liniowych wymiarów ciał, a ściskaniu towarzyszy ich zmniejszenie. Wartość charakteryzująca te procesy nazywana jest wydłużaniem ciała. Oznaczmy to przez „x”. Wzór na siłę sprężystości jest bezpośrednio powiązany z wydłużeniem. Każde ciało poddane deformacji ma swoje parametry geometryczne i fizyczne. Zależność odporności sprężystej na odkształcenia od właściwości nadwozia i materiału, z którego jest wykonana, określa współczynnik sprężystości, nazwijmy go sztywnością (k).
Matematyczny model oddziaływania sprężystego jest opisany przez prawo Hooke'a.
Siła powstająca w wyniku odkształcenia ciała jest skierowana przeciwnie do kierunku przemieszczenia poszczególnych części ciała, jest wprost proporcjonalna do jego wydłużenia:
- Fy=-kx (zapis wektorowy).
Znak „-” wskazuje przeciwny kierunek odkształcenia i siły.
W formie skalarnej nie ma znaku ujemnego. Siła sprężysta, której wzór ma postać Fy=kx, jest stosowana tylko dla odkształceń sprężystych.
Oddziaływanie pola magnetycznego z prądem
Wpływpole magnetyczne do prądu stałego jest opisane przez prawo Ampère'a. W tym przypadku siła, z jaką pole magnetyczne działa na umieszczony w nim przewodnik z prądem, nazywana jest siłą Ampère.
Oddziaływanie pola magnetycznego z poruszającym się ładunkiem elektrycznym powoduje manifestację siły. Siła Ampera, której wzór to F=IBlsinα, zależy od indukcji magnetycznej pola (B), długości aktywnej części przewodnika (l), natężenia prądu (I) w przewodniku oraz kąta między kierunkiem prądu a indukcją magnetyczną.
Ze względu na ostatnią zależność można argumentować, że wektor pola magnetycznego może się zmieniać, gdy przewodnik jest obracany lub zmienia się kierunek prądu. Reguła lewej ręki pozwala określić kierunek działania. Jeśli lewa ręka jest ustawiona tak, że wektor indukcji magnetycznej wchodzi do dłoni, cztery palce są skierowane wzdłuż prądu w przewodzie, a następnie kciuk zgięty o 90° pokaże kierunek pole magnetyczne.
Wykorzystanie tego efektu przez ludzkość zostało odkryte na przykład w silnikach elektrycznych. Obrót wirnika spowodowany jest polem magnetycznym wytworzonym przez silny elektromagnes. Formuła siły pozwala ocenić możliwość zmiany mocy silnika. Wraz ze wzrostem natężenia prądu lub pola, moment obrotowy wzrasta, co skutkuje wzrostem mocy silnika.
Trajektorie cząstek
Oddziaływanie pola magnetycznego z ładunkiem jest szeroko stosowane w spektrografach masowych do badania cząstek elementarnych.
Działanie pola w tym przypadku powoduje pojawienie się siły zwanejSiła Lorentza. Kiedy naładowana cząstka poruszająca się z określoną prędkością wejdzie w pole magnetyczne, siła Lorentza, której wzór ma postać F=vBqsinα, powoduje ruch cząstki po okręgu.
W tym modelu matematycznym v jest modułem prędkości cząstki, której ładunek elektryczny wynosi q, B jest indukcją magnetyczną pola, α jest kątem między kierunkami prędkości a indukcją magnetyczną.
Cząstka porusza się po okręgu (lub łuku koła), ponieważ siła i prędkość są skierowane do siebie pod kątem 90°. Zmiana kierunku prędkości liniowej powoduje pojawienie się przyspieszenia.
Zasada lewej ręki, omówiona powyżej, ma również miejsce podczas badania siły Lorentza: jeśli lewa ręka jest ustawiona tak, że wektor indukcji magnetycznej wchodzi do dłoni, cztery palce wyciągnięte w linii są skierowane wzdłuż prędkość dodatnio naładowanej cząstki, a następnie kciuk wygięty o 90° wskazuje kierunek siły.
Problemy z plazmą
Oddziaływanie pola magnetycznego i materii jest wykorzystywane w cyklotronach. Problemy związane z laboratoryjnym badaniem osocza nie pozwalają na jego przechowywanie w zamkniętych naczyniach. Silnie zjonizowany gaz może istnieć tylko w wysokich temperaturach. Plazma może być utrzymywana w jednym miejscu w przestrzeni za pomocą pól magnetycznych, skręcających gaz w formie pierścienia. Kontrolowane reakcje termojądrowe można również badać poprzez wirowanie plazmy wysokotemperaturowej we włókno za pomocą pól magnetycznych.
Przykład działania pola magnetycznegoin vivo na zjonizowanym gazie - Aurora Borealis. Ten majestatyczny spektakl jest obserwowany za kołem podbiegunowym na wysokości 100 km nad powierzchnią ziemi. Tajemniczy kolorowy blask gazu można było wyjaśnić dopiero w XX wieku. Ziemskie pole magnetyczne w pobliżu biegunów nie może zapobiec przenikaniu wiatru słonecznego do atmosfery. Najbardziej aktywne promieniowanie skierowane wzdłuż linii indukcji magnetycznej powoduje jonizację atmosfery.
Zjawiska związane z ruchem ładunku
Historycznie główną wielkością charakteryzującą przepływ prądu w przewodniku jest siła prądu. Co ciekawe, ta koncepcja nie ma nic wspólnego z siłą w fizyce. Natężenie prądu, którego wzór obejmuje ładunek przepływający w jednostce czasu przez przekrój przewodu, to:
I=q/t, gdzie t jest czasem przepływu ładunku q
W rzeczywistości aktualna siła to ilość ładunku. Jego jednostką miary jest Amper (A), w przeciwieństwie do N.
Określanie pracy siły
Siła na substancję towarzyszy wykonywaniu pracy. Praca siły jest wielkością fizyczną liczbowo równą iloczynowi siły i przemieszczenia przebytego pod jej działaniem oraz cosinusowi kąta między kierunkami siły i przemieszczenia.
Pożądana praca siły, której wzór to A=FScosα, obejmuje wielkość siły.
Działaniu ciała towarzyszy zmiana prędkości ciała lub deformacja, która wskazuje na jednoczesne zmiany energii. Praca wykonana przez siłę zależy odwartości.
