Force | |
---|---|
Силы можно описать как толчок или тянуть за объект. Они могут быть вызваны такими явлениями, как гравитация, магнетизм или что-либо, что может вызвать ускорение массы. | |
Общие символы | F→, F, F |
единица СИ | ньютон (Н) |
Другие единицы | дин, фунт-сила, фунт, кип, килопонд |
В основных единицах СИ | kg ·m /s |
Производные от. других величин | F= m a |
Измерение |
В физике, сила - это любое взаимодействие, которое без сопротивления изменяет движение объекта . Сила может заставить объект с массой изменить свою скорость (что включает начало движения из состояния покоя ), то есть к ускорению. Сила также может быть интуитивно описана как толчок или тяга. Сила имеет как величину, так и направление, что делает ее величиной вектор. Он измеряется в единицах СИ из ньютонов и представлен символом F.
. Исходная форма второго закона Ньютона гласит, что результирующая сила, действующая на объект равен скорости, с которой его импульс изменяется со временем. Если масса объекта постоянна, этот закон подразумевает, что ускорение объекта прямо пропорционально чистой силе, действующей на объект, в направлении чистой силы, и обратно пропорционален массе объекта.
Понятия, связанные с силой, включают: тягу, которая увеличивает скорость объекта; перетащите, уменьшающее скорость объекта; и крутящий момент, который вызывает изменения скорости вращения объекта. В вытянутом теле каждая часть обычно прикладывает силы к соседним частям; распределение таких сил по телу - это внутреннее механическое напряжение. Такие внутренние механические напряжения не вызывают ускорения этого тела, поскольку силы уравновешивают друг друга. Давление, распределение множества малых сил, приложенных к определенной области тела, представляет собой простой тип напряжения, которое в случае дисбаланса может вызвать ускорение тела. Напряжение обычно вызывает деформацию твердых материалов или поток в жидкостях.
Философы в древности использовали понятие силы при изучении стационарных и движущихся объектов и простых машин., но такие мыслители, как Аристотель и Архимед сохранили фундаментальные ошибки в понимании силы. Частично это было связано с неполным пониманием иногда неочевидной силы трения и, следовательно, неадекватным представлением о природе естественного движения. Фундаментальной ошибкой было убеждение, что для поддержания движения даже с постоянной скоростью требуется сила. Большинство предыдущих недоразумений относительно движения и силы были в конечном итоге исправлены Галилео Галилей и сэром Исааком Ньютоном. Благодаря своему математическому чутью сэр Исаак Ньютон сформулировал законы движения, которые не улучшались в течение почти трехсот лет. К началу 20 века Эйнштейн разработал теорию относительности, которая правильно предсказала действие сил на объекты с увеличивающимся импульсом, близким к скорости света, а также позволила понять возникающие силы. гравитацией и инерцией.
На основе современного понимания квантовой механики и технологий, которые могут ускорять частицы со скоростью, близкой к скорости света, физика элементарных частиц разработала Стандарт Модель для описания сил между частицами меньше атомов. Стандартная модель предсказывает, что обмениваемые частицы, называемые калибровочными бозонами, являются основным средством излучения и поглощения сил. Известны только четыре основных взаимодействия: в порядке убывания силы они следующие: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Физика частиц высоких энергий Наблюдения, сделанные в 1970-х и 1980-х годах, подтвердили, что слабые и электромагнитные силы являются выражением более фундаментального электрослабого взаимодействия.
С древних времен концепция силы была признана неотъемлемой частью функционирования каждого из простые машины. механическое преимущество, данное простой машиной, позволяло использовать меньшее усилие в обмен на эту силу, действующую на большем расстоянии, за такое же количество работы. Анализ характеристик сил в конечном итоге завершился работой Архимеда, который был особенно известен тем, что сформулировал трактовку выталкивающих сил, присущих жидкостям.
Аристотель предоставил философское обсуждение концепции силы как неотъемлемой части аристотелевской космологии. По мнению Аристотеля, земная сфера содержала четыре элемента, которые останавливаются в разных «естественных местах» в ней. Аристотель считал, что неподвижные объекты на Земле, состоящие в основном из элементов земли и воды, находятся на своем естественном месте на земле и что они останутся такими, если их оставить в покое. Он различал врожденную тенденцию объектов находить свое «естественное место» (например, падение тяжелых тел), приводящую к «естественному движению», и неестественное или вынужденное движение, которое требовало постоянного приложения силы. Эта теория, основанная на повседневном опыте движения объектов, например на постоянном приложении силы, необходимой для движения тележки, имела концептуальные проблемы с объяснением поведения снарядов, например полета стрел.. Место, где лучник перемещает снаряд, находилось в начале полета, и пока снаряд летел по воздуху, на него не действовала никакая видимая эффективная причина. Аристотель знал об этой проблеме и предположил, что воздух, перемещающийся по траектории снаряда, переносит снаряд к цели. Это объяснение требует континуума, подобного воздуху для смены места в целом.
Аристотелевская физика начала подвергаться критике в средневековой науке, сначала Иоанном Филопоном в VI веке.
Недостатки аристотелевской физики не могли быть полностью исправлены до работы Галилео Галилея 17 века, который находился под влиянием позднесредневековой идеи о том, что объекты в принудительном движении обладают врожденной силой импульс. Галилей построил эксперимент, в котором камни и ядра скатывались по склону, чтобы опровергнуть теорию движения Аристотеля. Он показал, что тела были ускорены силой тяжести до степени, которая не зависела от их массы, и утверждал, что объекты сохраняют свою скорость, если на них не действует сила, например трение.
Однако Концепция силы оставалась в значительной степени неверно понятой в начале 17 века до начала Ньютона. Термин «сила» (лат. : vis) применялся ко многим физическим и нефизическим явлениям, например, к ускорению точки. Произведение точечной массы на квадрат ее скорости было названо Лейбницем vis viva (живая сила). Современное понятие силы соответствует матрице Ньютона (ускоряющая сила).
Сэр Исаак Ньютон описал движение всех объектов, используя концепции инерции и силы, и при этом он обнаружил, что они подчиняются определенным законам сохранения. В 1687 г. Ньютон опубликовал свою диссертацию Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. В этой работе Ньютон изложил три закона движения, которые и по сей день являются способом описания сил в физике.
Первый закон Ньютона гласит, что объекты продолжают двигаться состояние постоянной скорости, если только на него не действует внешняя чистая сила (равнодействующая сила). Этот закон является продолжением идеи Галилея о том, что постоянная скорость была связана с отсутствием чистой силы (см. более подробное описание этого ниже). Ньютон предположил, что каждый объект с массой имеет врожденную инерцию, которая функционирует как фундаментальное равновесное «естественное состояние» вместо аристотелевской идеи «естественного состояния покоя». Таким образом, эмпирический Первый закон Ньютона противоречит интуитивному аристотелевскому убеждению, что для поддержания движения объекта с постоянной скоростью требуется общая сила. Делая покой физически неотличимым от ненулевой постоянной скорости, Первый закон Ньютона напрямую связывает инерцию с концепцией относительных скоростей. В частности, в системах, где объекты движутся с разными скоростями, невозможно определить, какой объект находится «в движении», а какой - в состоянии покоя. Законы физики одинаковы в каждой инерциальной системе отсчета, то есть во всех системах, связанных с преобразованием Галилея.
, например, при путешествии в движущемся транспортном средстве при постоянная скорость, законы физики не меняются в результате его движения. Если человек, находящийся в транспортном средстве, бросает мяч прямо вверх, этот человек будет наблюдать, как он поднимается вертикально и падает вертикально, и ему не нужно прилагать силу в направлении движения транспортного средства. Другой человек, наблюдая за проезжающим мимо движущимся транспортным средством, мог бы наблюдать, как мяч следует изогнутой параболической траектории в том же направлении, что и движение транспортного средства. Это инерция мяча, связанная с его постоянной скоростью в направлении движения транспортного средства, которая гарантирует, что мяч продолжает двигаться вперед, даже когда он подбрасывается вверх и падает обратно. С точки зрения человека, сидящего в машине, транспортное средство и все, что в нем находится, находится в состоянии покоя: это внешний мир, который движется с постоянной скоростью в направлении, противоположном транспортному средству. Поскольку не существует эксперимента, который мог бы различить, находится ли это транспортное средство в состоянии покоя или внешний мир находится в состоянии покоя, эти две ситуации считаются физически неразличимыми. Следовательно, инерция одинаково хорошо применима как к движению с постоянной скоростью, так и к покою.
Хотя самое известное уравнение сэра Исаака Ньютона - это. , он фактически записал другую форму своего второго закона движения, в которой не использовалось дифференциальное исчисление.Современное утверждение Второго закона Ньютона. Закон - это векторное уравнение:
где - импульс системы, а - чистая (векторная сумма ) сила. Если тело находится в равновесии, по определению существует нулевая результирующая сила (тем не менее, сбалансированные силы могут присутствовать). Напротив, второй закон гласит, что если на объект действует неуравновешенная сила, это приведет к изменению количества движения объекта с течением времени.
По определению импульс,
Если второй закон Ньютона применяется к системе постоянной массы, m может вынести за пределы производного оператора. Тогда уравнение принимает вид
Подставляя определение ускорение, получается алгебраическая версия Второго закона Ньютона :
Ньютон никогда явно не указывал формулу в приведенной выше сокращенной форме.
Второй закон Ньютона утверждает прямую пропорциональность ускорение силе и обратная пропорциональность ускорения массе. Ускорения можно определить с помощью кинематических измерений. Однако, хотя кинематика хорошо описана с помощью анализа системы отсчета в продвинутой физике, все еще остаются глубокие вопросы относительно того, как правильно определять массу. Общая теория относительности предлагает эквивалентность между пространством-временем и массой, но из-за отсутствия последовательной теории квантовой гравитации неясно, как и является ли эта связь актуально в микромасштабах. С некоторым оправданием второй закон Ньютона можно принять как количественное определение массы, записав закон как равенство; тогда относительные единицы силы и массы фиксируются.
Использование Второго закона Ньютона в качестве определения силы осуждается в некоторых наиболее строгих учебниках, потому что это, по сути, математический трюизм. Известные физики, философы и математики, которые искали более четкое определение концепции силы, включают Эрнст Мах и Уолтер Нолл.
Второй закон Ньютона может использоваться для измерения силы сил. Например, знание масс планет вместе с ускорениями их орбит позволяет ученым вычислятьгравитационные силы на планетах.
Всякий раз, когда одно тело оказывает силу на другое, последнее одновременно оказывает равную и противоположную силу на первое. В векторной форме, если - сила тела 1 на тело 2 и значение тела 2 на теле 1, затем
Этот закон иногда называют законом действия-противодействия, с вызывает действие, а реакция .
Третий закон Ньютона является результатом применения симметрии к ситуациям, когда силы могут можно отнести к наличию разных предметов. Третий закон означает, что все силы являются взаимодействием между различными телами, и поэтому не существует такой вещи, как однонаправленная сила или сила, действующая только на одно тело.
В системе, состоящей из объекта 1 и объекта 2, результирующая сила, действующая на систему из-за их взаимного взаимодействия, равна нулю:
В общем, в закрытой системе частиц, все внутренние силы уравновешены. Частицы могут ускоряться относительно друг друга, но центр масс системы не ускоряется. Если на систему действует внешняя сила, она заставит центр масс ускоряться пропорционально величине внешней силы, деленной на массу системы.
Комбинируя Второй и Третий законы Ньютона, можно чтобы показать, что импульс системы сохраняется. В системе двух частиц, если - это импульс объекта 1, а импульс объекта 2, затем
Используя аналогичные аргументы, это можно обобщить на систему с произвольным числом частиц. В общем, пока все силы возникают из-за взаимодействия объектов с массой, можно определить систему так, чтобы чистый импульс никогда не терялся и не набирался.
В специальной теории относительности масса и энергия эквивалентны (это можно увидеть, вычислив работу, необходимую для ускорения объекта). Когда скорость объекта увеличивается, увеличивается его энергия и, следовательно, его массовый эквивалент (инерция). Таким образом, для ускорения на такую же величину требуется больше силы, чем при более низкой скорости. Второй закон Ньютона
остается в силе, потому что это математическое определение. Но для сохранения релятивистского импульса его нужно переопределить как:
где - масса покоя и скорость света.
Релятивистское выражение, связывающее силу и ускорение для частицы с постоянной ненулевой массой покоя , движущейся в направлении :
где
называется фактором Лоренца.
в В ранней истории теории относительности выражения и были называется продольная и поперечная масса. Релятивистская сила вызывает не постоянное ускорение, а постоянно убывающее ускорение по мере приближения объекта к скорости света. Обратите внимание, что асимптотически приближается к бесконечному значению и является undefined для объекта с ненулевой массой покоя, поскольку он приближается к скорости света, и теория не дает никаких предсказаний при такой скорости.
Если очень мало по сравнению с , тогда очень близко к 1, а
является близким приближением. Однако даже для использования в теории относительности можно восстановить форму
с помощью четырехвекторный. Это соотношение верно в теории относительности, когда является четырехсиловым, - инвариантная масса, а - четырехступенчатое ускорение.
Поскольку силы воспринимаются как толчки или толчки, это может обеспечить интуитивное понимание для описания сил. Как и в случае с другими физическими понятиями (например, температура ), интуитивное понимание сил количественно оценивается с использованием точных рабочих определений, которые согласуются с прямыми наблюдениями и в сравнении к стандартной шкале измерений. Экспериментально установлено, что лабораторные измерения сил полностью соответствуют концептуальному определению силы, предлагаемому механикой Ньютона.
Силы действуют в определенном направлении и имеют размеры зависят от силы толчка или тяги. Из-за этих характеристик силы классифицируются как «векторные величины ». Это означает, что силы подчиняются другому набору математических правил, нежели физические величины, не имеющие направления (обозначенные скалярными величинами). Например, при определении того, что происходит, когда две силы действуют на один и тот же объект, необходимо знать как величину, так и направление обеих сил, чтобы вычислить результат. Если обе эти части информации не известны для каждой силы, ситуация неоднозначна. Например, если вы знаете, что два человека тянут одну и ту же веревку с известной величиной силы, но не знаете, в каком направлении тянет любой из них, невозможно определить, какое будет ускорение веревки. Два человека могли тянуть друг к другу, как в перетягивание каната, или двое людей могли тянуть в одном направлении. В этом простом одномерном примере, не зная направления сил, невозможно решить, является ли результирующая сила результатом сложения двух величин силы или вычитания одной из другой. Связывание сил с векторами позволяет избежать таких проблем.
Исторически силы были впервые количественно исследованы в условиях статического равновесия, когда несколько сил уравновешивали друг друга. Такие эксперименты демонстрируют важнейшие свойства того, что силы являются аддитивными векторными величинами : они имеют величину и направление. Когда две силы действуют на точечную частицу, результирующая сила, результирующая (также называемая результирующая сила ), может быть определена в соответствии с правилом параллелограмма из сложение векторов : сложение двух векторов, представленных сторонами параллелограмма, дает эквивалентный результирующий вектор, который по величине и направлению равен поперечному параллелограмму. Величина результирующего колеблется от разницы величин двух сил до их суммы, в зависимости от угла между линиями их действия. Однако, если силы действуют на протяженное тело, их соответствующие направления приложения также должны быть указаны, чтобы учесть их влияние на движение тела.
Диаграммы свободного тела можно использовать как удобный способ отслеживать силы, действующие на систему. В идеале эти диаграммы строятся с сохранением углов и относительных величин векторов силы, чтобы можно было выполнить графическое добавление векторов для определения чистой силы.
Помимо сложения, силы также могут быть разделены на независимые компоненты под прямыми углами друг к другу. Таким образом, горизонтальную силу, направленную на северо-восток, можно разделить на две силы: одна направлена на север, а другая - на восток. Суммирование этих составляющих сил с использованием векторного сложения дает исходную силу. Разложение векторов силы на компоненты набора базисных векторов часто является более математически чистым способом описания сил, чем использование величин и направлений. Это связано с тем, что для ортогональных компонентов компоненты векторной суммы однозначно определяются скалярным сложением компонентов отдельных векторов. Ортогональные компоненты не зависят друг от друга, потому что силы, действующие под углом 90 градусов друг к другу, не влияют на величину или направление друг друга. Выбор набора ортогональных базисных векторов часто осуществляется с учетом того, какой набор базисных векторов сделает математику наиболее удобной. Выбор базисного вектора, который находится в том же направлении, что и одна из сил, желателен, так как тогда эта сила будет иметь только один ненулевой компонент. Ортогональные векторы силы могут быть трехмерными, при этом третий компонент находится под прямым углом к двум другим.
Равновесие возникает, когда результирующая сила, действующая на точечную частицу, равна нулю (что есть векторная сумма всех сил равна нулю). При работе с удлиненным кузовом также необходимо, чтобы чистый крутящий момент был равен нулю.
Существует два вида равновесия: статическое равновесие и динамическое равновесие.
Статическое равновесие было понято задолго до изобретения классической механики. На неподвижные объекты действует нулевая результирующая сила.
Простейший случай статического равновесия возникает, когда две силы равны по величине, но противоположны по направлению. Например, объект на ровной поверхности притягивается (притягивается) вниз к центру Земли под действием силы тяжести. В то же время, сила прикладывается поверхностью, которая противостоит направленной вниз силе с равной направленной вверх силой (называемая нормальной силой ). Ситуация дает нулевую результирующую силу и, следовательно, отсутствие ускорения.
Нажатие на объект, лежащий на фрикционной поверхности, может привести к ситуации, когда объект не перемещается, потому что приложенной силе противодействует статическое трение , создается между объектом и поверхностью стола. В ситуации без движения сила статического трения точно уравновешивает приложенную силу, что приводит к отсутствию ускорения. Статическое трение увеличивается или уменьшается в ответ на приложенную силу до верхнего предела, определяемого характеристиками контакта между поверхностью и объектом.
Статическое равновесие между двумя силами - самый обычный способ измерения сил, используя простые устройства, такие как весы и пружинные весы. Например, объект, подвешенный на вертикальной пружинной шкале , испытывает силу тяжести, действующую на объект, уравновешенную силой, приложенной «силой реакции пружины», которая равна весу объекта. Используя такие инструменты, были открыты некоторые количественные законы силы: сила тяжести пропорциональна объему для объектов постоянной плотности (широко используемых на протяжении тысячелетий для определения стандартных весов); принцип Архимеда плавучести; Архимедовский анализ рычага ; закон Бойля для давления газа; и закон Гука для пружин. Все они были сформулированы и экспериментально подтверждены до того, как Исаак Ньютон изложил свои Три закона движения.
Динамическое равновесие было впервые описано Галилео, который заметил, что некоторым предположениям аристотелевской физики противоречат наблюдения и логика. Галилей понял, что простое сложение скорости требует, чтобы концепция «абсолютной системы покоя » не существовала. Галилей пришел к выводу, что движение с постоянной скоростью полностью эквивалентно покою. Это противоречило представлению Аристотеля о «естественном состоянии» покоя, к которому естественным образом приближались объекты с массой. Простые эксперименты показали, что понимание Галилеем эквивалентности постоянной скорости и покоя было правильным. Например, если моряк уронил пушечное ядро из «вороньего гнезда» корабля, движущегося с постоянной скоростью, по аристотелевской физике пушечное ядро упало бы прямо вниз, пока корабль двигался под ним. Таким образом, в аристотелевской вселенной падающее пушечное ядро приземлится за подножие мачты движущегося корабля. Однако, когда этот эксперимент действительно проводится, пушечное ядро всегда падает к подножию мачты, как будто пушечное ядро знает, что должно лететь вместе с кораблем, несмотря на то, что оно отделено от него. Поскольку при падении на пушечное ядро не действует горизонтальная сила, действующая вперед, остается единственный вывод: ядро продолжает двигаться с той же скоростью, что и лодка, когда оно падает. Таким образом, никакая сила не требуется для поддержания движения пушечного ядра с постоянной скоростью.
Более того, любой объект, движущийся с постоянной скоростью, должен подвергаться нулевой результирующей силе (равнодействующей силе). Это определение динамического равновесия: когда все силы на объекте уравновешиваются, но он все еще движется с постоянной скоростью.
Простой случай динамического равновесия возникает при движении с постоянной скоростью по поверхности с кинетическим трением. В такой ситуации сила прикладывается в направлении движения, в то время как кинетическая сила трения точно противодействует приложенной силе. Это приводит к нулевой чистой силе, но поскольку объект стартовал с ненулевой скоростью, он продолжает двигаться с ненулевой скоростью. Аристотель неверно истолковал это движение как вызванное приложенной силой. Однако, если принять вовнимание кинетическое трение, становится ясно, что нет чистой силы, вызывающей движение с постоянной скоростью.
Понятие «сила» сохраняет свое значение в квантовая механика, хотя сейчас мы имеем дело с операторами вместо классических чисел, и хотя физика теперь описывается уравнением Шредингера вместо уравнениями Ньютона. Это приводит к тому, что результаты измерения теперь иногда «квантуются», то появляются дискретными частями. Это, конечно, сложно представить в контексте «сил». Потенциалы V (x, y, z) или поля, из которых обычно могут быть получены силы, обрабатываются аналогично классическим переменным положением, то есть .
Это становится другим только в рамках квантовой теории поля, где эти поля также квантованы.
Однако уже в квантовой механике есть одно «предостережение», такие частицы, действующие друг на друга, обладают не только пространственной, но также и дискретной внутренней стандартной , подобной угловому моменту. называется «спин », и существует принцип исключения Паули, связывающий пространственные и спиновые переменные. В зависимости от значений спина идентичные частицы разделяются на два разных класса: фермионы и бозоны. Если два идентичных фермиона (например, электроны) имеют симметричную функцию спина (например, параллельные спины), пространственные переменные должны быть антисимметричными (т.е. они исключают друг друга со своими местами, как если бы была сила отталкивания), и наоборот, т..е. для антипараллельных вращает переменные положения должны быть симметричными (т. е. кажущаяся сила должна быть притягивающей). Таким образом, в случае двух фермионов существует строго отрицательная корреляция между пространственными и спиновыми переменными, тогда как для двух бозонов (например, квантов электромагнитных волн, фотонов) корреляция строго положительная.
Таким образом, понятие «сила» уже частично теряет свое значение.
В современной физический элементарных частиц сила и ускорение частиц объясняются как математический побочный продукт обмена импульсом - несущие калибровочные бозоны. С развитием квантовой теории и общей теории относительности стало понятно, что сила - это избыточное поля понятие, обеспечивающее из сохранение импульса (4-импульса в теории относительности и импульс виртуальных частиц в квантовой электродинамике ). Сохранение количества движения может быть непосредственно выведено из однородности или симметрии пространства, и поэтому обычно считается более фундаментальным, чем концепция силы. Таким образом, известные в настоящее фундаментальные силы более точно время как «фундаментальные взаимодействия ». Когда части A излучает (создает) или поглощает (аннигилирует) виртуальную часть B, сохранение импульса приводит кчести частицы A, создает впечатление отталкивания или притяжения между частями AA ', которые обмениваются частицы B. взаимодействий. Хотя сложные математические описания необходимы для того, чтобы указать точный результат таких взаимодействий во всех деталях, существует концептуальный способ описания таких взаимодействий с помощью диаграмм Фейнмана. На диаграмме Фейнмана каждая частица представляет собой прямая линия (см. мировая линия ), перемещающаяся во времени, которая обычно увеличивается вверх или вправо на диаграмме. Частицы материи и антивещества их идентичности, за исключением направления распространения через диаграмму Фейнмана. Мировые линии частиц пересекаются в вершинах взаимодействия, и диаграмма Фейнмана представляет любую силу в результате взаимодействия, как развивающую в вершине с мгновенным изменением направления мировых сил частиц. Калибровочные бозоны излучаются из вершины в виде волнистых линий и, в случае обмена виртуальными частицами, поглощаются соседней вершиной.
Диаграммы Фейнмана полезны для других физических явлений, которые являются общей картиной фундаментальных взаимодействий, но концептуально отделенных от сил, также может бытьана с использованием тех же правил. Например, диаграмма Фейнмана может кратко описать, как нейтрон распадается на электрон, протон и нейтрино., взаимодействие, опосредованное тем же калибровочным бозоном, которое отвечает за слабое ядерное взаимодействие.
Все известные силы Вселенной подразделяются на фундаментальных взаимодействий. сильные и слабые силы - это ядерные силы, которые только на очень коротких расстояниях и ответственны за взаимодействие между субатомными частями, включая нуклоны и составные ядра. Электромагнитная сила действует между электрическими зарядами, а гравитационная сила действует между массами. Все остальные силы в существе из этих четырех фундаментальных взаимодействий. Например, трение - это проявление электромагнитной силы, действующей между атомами двумя поверхностями, и принцип исключения Паули, который не позволяет атомам проходить сквозь друг друга. Точно так же силы в пружинах, моделируемые законом Гука, являются результатом электромагнитных сил и принципа исключения Паули, действующие вместе, чтобы вернуть объект в его равновесие позицию. Центробежные силы - это ускорение силы, которые возникают просто из ускорения вращения системы отсчета.
Фундаментальные теории сил, разработанные на основе объединение разных идей. Например, сэр. Исаак Ньютон со своей универсальной теорией гравитации объединил силу, отвечающую за падение объектов поверхности Земли, с силой, ответственной за падение небесных тел. тела вокруг Земли (Луна ) и вокруг Солнца (планеты). Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл применили, что электрические и магнитные силы были объединены посредством теории электромагнетизма. В 20 веке развитие квантовой механики привело к современному пониманию того, что первые три фундаментальные силы (все, кроме гравитации) являются проявлениями материи (фермионов ), взаимодействующих посредством обмена виртуальные частицы, называемые калибровочными бозонами. Эта Стандартная модель физики слабых частиц частиц между силами и ученых к предсказанию объединенияых и электромагнитных сил в электрослабой теории, что сход было подтверждено наблюдениями. Полная формулировка Стандартной модели предсказывает пока ненаблюдаемый механизм Хиггса, но такие наблюдения, как осцилляции нейтрино, предполагают, что Стандартная модель неполна. Теория Великого Объединения, которая допускает комбинацию электрослабого взаимодействия с сильным выдающим предложением, рассматриваются как возможность с теориями-кандидатами, такими как суперсимметрия, включенными для учета некоторых нерешенных проблем физики. Физики все еще применяются самосогласованные модели объединения, которые объединили бы все четыре фундаментальных взаимодействия в теорию всего. Эйнштейн пытался и потерпел неудачу в этом начинании, но в настоящее время наиболее популярным подходом к этому вопросу является этот вопрос теория струн.
Свойство / взаимодействие | Гравитация | Слабое | Электромагнитное | Сильное | |
---|---|---|---|---|---|
(электрослабое) | Основное | Остаточное | |||
Действует на: | Масса - Энергия | Аромат | Электрический заряд | Цветной заряд | Атомные ядра |
Испытываемые частицы: | Все | Кварки, лептоны | электрически заряженные | кварки, глюоны | адроны |
опосредующие частицы: | гравитон. (пока не присутствует) | WWZ | γ | Глюоны | Мезоны |
Сила в шкале кварков: | 10 | 10 | 1 | 60 | Неприменимо. к кваркам |
Сила в шкале. протонов / нейтронов: | 10 | 10 | 1 | Неприменимо. к адронам | 20 |
То, что мы сейчас называем гравитацией, не было идентифицировано как универсальная сила до тех пор, пока работа Исаака Ньютона. До Ньютона не считалось, что тенденция к падению объектов на Землю связана с движением небесных объектов. Ускорение объекта в свободном падении было постоянным и не зависело от массы объекта. Сегодня это ускорение свободного падения по поверхности поверхности Земли обычно обозначается как и имеет звездную величину составляет около 9, 81 метров в секунду в квадрате (это измерение производится с уровня моря и может изменяться в зависимости от местоположения) и указывает на центр Земли. Это наблюдение, означает, что сила тяжести, действующая на объект на поверхности Земли, прямо пропорциональна массе объекта. Таким образом, объект, имеющий массу , будет испытывать силу:
Для объекта, падающего в свободном падении, эта сила не встречает сопротивления, и чистая сила, действующая на объект, - это его вес. Для объектов, находящихся в свободном падении, силе тяжести, противодействуют силы реакции, прикладываемые их опорами. Например, человек, стоящий на земле, испытывает нулевую чистую силу, поскольку нормальная сила (сила реакции) действует со стороны земли вверх на человека, что уравновешивает его вес, направленный вниз.
Вклад Ньютона в теорию гравитации заключался в объединении движений небесных тел, которые, как предполагал Аристотель, находились в естественном, потому что они не существуют в системах отсчета, которые не ускоряются. Поскольку эти силы не являются подлинными, их также называют «псевдосилами».
В общей теории относительности, гравитация становится фиктивной силой, которая возникает в ситуациях, когда пространство-время отклоняется от плоской геометрии. В качестве расширения теории Калуцы-Клейна и теории струн приписывают электромагнетизм и другие фундаментальные силы соответственно кривизне размеров с различным масштабом, что в конечном итоге означает, что все силы фиктивны.
Силы, вызывающие расширенные объекты для вращения связаны с моментами. Математически крутящий момент силы определяется относительно произвольной контрольной точки как перекрестное произведение :
где
крутящего момента является вращение эквивалент силы таким же образом, что угол является эквивалентом вращения для позиции, угловой скорости для скорости и углового момента для импульс. Как следствие Первого закона движения Ньютона, существует инерция вращения, которая гарантирует, что все тела сохранят свой угловой момент, если на них не действует неуравновешенный крутящий момент. Аналогичным образом, второй закон движения Ньютона может быть использован для вывода аналогичного уравнения для мгновенного углового ускорения твердого тела:
где
Это дает определение момента инерции, который является вращательным эквивалентом массы. В более продвинутых трактовках механики, где описывается вращение в течение определенного интервала времени, момент инерции должен быть заменен тензором , который при правильном анализе полностью определяет характеристики вращений, включая прецессию. и нутация.
Аналогично, дифференциальная форма Второго закона Ньютона дает альтернативное определение крутящего момента:
Третий закон движения Ньютона требует, чтобы все объекты, создающие крутящие моменты, сами испытывали равные и противоположные крутящие моменты, и, следовательно, также прямо подразумевает сохранение углового момента для закрытых систем, которые испытывают вращения и обороты под действием внутренних моментов.
Для объекта, ускоряющегося при круговом движении, неуравновешенная сила, действующая на объект, равна:
где - масса объект, - это скорость объекта, а - это расстояние до центра круговой траектории и - это единичный вектор, указывающий в радиальном направлении наружу от центра. Это означает, что неуравновешенная центростремительная сила, ощущаемая любым объектом, всегда направлена к центру изгибающейся траектории. Такие силы действуют перпендикулярно вектору скорости, связанному с движением объекта, и поэтому не действуют. измените скорость объекта (величину скорости), но только направление вектора скорости. Неуравновешенная сила, ускоряющая объект, может быть разделена на компонент, перпендикулярный траектории, и компонент, касательный к траектории. Это дает как тангенциальную силу, которая ускоряет объект, замедляя или ускоряя его, так и радиальную (центростремительную) силу, которая меняет его направление.
Силы могут использоваться для определения ряда физических концепций путем интегрирования по кинематическим переменным. Например, интегрирование по времени дает определение импульс :
что по Второму закону Ньютона должно быть эквивалентно изменению количества движения (что дает теорему об импульсе ).
Точно так же интегрирование по положению дает определение работы, выполненной с помощью силы:
что эквивалентно изменениям кинетической энергии (что дает теорему об энергии работы ).
Мощность P - это скорость изменения dW / dt работы W, поскольку траектория расширяется за счет изменения положения в временной интервал dt:
с скорость.
Вместо силы, часто математически связанная концепция поле потенциальной энергии можно использовать для удобства. Например, гравитационная сила, действующая на объект, может рассматриваться как действие гравитационного поля, которое присутствует в местоположении объекта. Математически переформулируя определение энергии (через определение работы ), потенциальное скалярное поле определяется как то поле, градиент которого равен и противоположен силе, создаваемой в каждой точке:
Силы можно разделить на консервативные или неконсервативные. Консервативные силы эквивалентны градиенту потенциала, а неконсервативные силы - нет.
Консервативные силы, действующие на замкнутую систему имеет связанную механическую работу, которая позволяет энергии преобразовываться только между кинетической или потенциальной формами. Это означает, что для закрытой системы чистая механическая энергия сохраняется всякий раз, когда на систему действует консервативная сила. Таким образом, сила напрямую связана с разницей в потенциальной энергии между двумя разными точками пространства и может рассматриваться как артефакт потенциального поля так же, как направление и количество потока воды. быть артефактом контурной карты высоты местности.
Консервативные силы включают гравитацию, электромагнитную силу и пружина сила. Каждая из этих сил имеет модели, которые зависят от положения, которое часто задается как радиальный вектор , исходящий из сферически-симметричные потенциалы. Примеры этого:
Для силы тяжести:
где - это гравитационная постоянная, а - масса объекта n.
Для электростатических сил:
где - электрическая проницаемость свободного пространства, а - электрический заряд объект n.
Для сил пружины:
где - жесткость пружины.
Для некоторых физических сценариев невозможно смоделировать силы, возникающие из-за градиента потенциалов.. Это часто происходит из-за макрофизических соображений, которые приводят к силам, возникающим из макроскопического статистического среднего микросостояний. Например, трение вызывается градиентами многочисленных электростатических потенциалов между атомами, но проявляется как модель силы, которая не зависит от какого-либо вектора положения на макроуровне. Неконсервативные силы, отличные от трения, включают другие контактные силы, растяжение, сжатие и сопротивление. Однако для любого достаточно подробного описания все эти силы являются результатом консервативных сил, поскольку каждая из этих макроскопических сил является чистым результатом градиентов микроскопических потенциалов.
Связь между макроскопическими неконсервативными силами и микроскопическими консервативными силами описывается подробным рассмотрением с помощью статистической механики. В макроскопических закрытых системах неконсервативные силы действуют, изменяя внутреннюю энергию системы, и часто связаны с передачей тепла. Согласно Второму закону термодинамики, неконсервативные силы обязательно приводят к преобразованию энергии в закрытых системах от упорядоченных к более случайным условиям по мере увеличения энтропии.
Единица силы СИ - это ньютон (символ N), которая представляет собой силу, необходимую для ускорения массы в один килограмм со скоростью один метр в секунду в квадрате., или кг · м · с. Соответствующая единица CGS - это дин, сила, необходимая для ускорения массы в один грамм на один сантиметр в секунду в квадрате, или г · см · с. Таким образом, ньютон равен 100 000 дин.
Гравитационная фут-фунт-секунда английская единица силы - это фунт-сила (фунт-сила), определяемая как сила, прилагаемая гравитация на фунт-масса в стандартном гравитационном поле 9,80665 м · с. Фунт-сила представляет собой альтернативную единицу массы: один снаряд - это масса, которая будет ускоряться на один фут в секунду в квадрате, когда на нее действует один фунт-сила.
Альтернативная единица измерения Сила в другой системе фут-фунт-секунда, системе абсолютных fps, является фунталом, определяемым как сила, необходимая для ускорения массы весом в один фунт со скоростью один фут в секунду в квадрате. Единицы измерения slug и poundal разработаны таким образом, чтобы избежать константы пропорциональности во втором законе Ньютона.
. Фунт-сила имеет метрический аналог, который используется реже, чем ньютон: килограмм-сила (кгс) (иногда килопонд) - это сила, действующая под действием стандартной силы тяжести на один килограмм массы. Килограмм-сила приводит к альтернативной, но редко используемой единице массы: метрическая пуля (иногда кружка или хил) - это масса, которая ускоряется со скоростью 1 м · с при воздействии силы 1 кгс. Килограмм-сила не является частью современной системы СИ и, как правило, не рекомендуется; тем не менее, он по-прежнему используется для некоторых целей, таких как выражение веса самолета, реактивной тяги, натяжения спиц велосипеда, настроек динамометрического ключа и крутящего момента двигателя. Другие тайные единицы силы включают sthène, что эквивалентно 1000 Н, и кип, что эквивалентно 1000 фунт-силам.
| ньютон. (SI единицы) | дин | килограмм-сила,. килопонд | фунт-сила | фунтал |
---|---|---|---|---|---|
1 Н | ≡ ⁄ s | = 10 дин | ≈ 0,10197 кгс | ≈ 0,22481 фунта-силы | ≈ 7,2330 фунта-силы |
1 дин | = 10 Н | ≡ ⁄ s | ≈ 1,0197 × 10 кгс | ≈ 2,2481 × 10 фунт-сил | ≈ 7,2330 × 10 фунт-сила-сила |
1 кгс | = 9,80665 N | = 980665 дин | ≡ г n ⋅ (1 кг) | ≈ 2,2046 фунта-силы | ≈ 70,932 фунт-сила |
1 фунт-сила | ≈ 4,448222 N | ≈ 444822 дин | ≈ 0,45359 кгс | ≡ г n ⋅ (1 lb ) | ≈ 32,174 pdl |
1 pdl | ≈ 0,138255 N | ≈ 13825 дин | ≈ 0,014098 kp | ≈ 0,031081 фунт-сила | ≡ ⁄ s |
Значение gn, используемое в официальном определении килограмм-силы, используется здесь для всех единиц силы тяжести. |
См. также Тонна-сила.
См. датчик силы, пружинная шкала, датчик веса
Искать force в Wiktionary, бесплатном словаре. |
Викискладе есть материалы, связанные с Forces (Physics). |