Η λέξη «δύναμη» είναι τόσο περιεκτική που το να της δώσεις μια σαφή έννοια είναι σχεδόν αδύνατο έργο. Η ποικιλία από τη μυϊκή δύναμη μέχρι τη δύναμη του μυαλού δεν καλύπτει όλο το φάσμα των εννοιών που επενδύονται σε αυτήν. Η δύναμη, που θεωρείται ως φυσικό μέγεθος, έχει μια καλά καθορισμένη έννοια και ορισμό. Ο τύπος δύναμης ορίζει ένα μαθηματικό μοντέλο: την εξάρτηση της δύναμης από τις κύριες παραμέτρους.
Η ιστορία της έρευνας δύναμης περιλαμβάνει τον ορισμό της εξάρτησης από παραμέτρους και την πειραματική απόδειξη της εξάρτησης.
Ισχύς στη φυσική
Η δύναμη είναι ένα μέτρο της αλληλεπίδρασης των σωμάτων. Η αμοιβαία δράση των σωμάτων μεταξύ τους περιγράφει πλήρως τις διαδικασίες που σχετίζονται με μια αλλαγή στην ταχύτητα ή την παραμόρφωση των σωμάτων.
Ως φυσικό μέγεθος, η δύναμη έχει μια μονάδα μέτρησης (στο σύστημα SI - Newton) και μια συσκευή για τη μέτρησή της - ένα δυναμόμετρο. Η αρχή λειτουργίας του μετρητή δύναμης βασίζεται στη σύγκριση της δύναμης που ασκείται στο σώμα με τη δύναμη της δύναμης του ελατηρίου του δυναμόμετρου.
Δύναμη 1 newton θεωρείται η δύναμη υπό την οποία ένα σώμα μάζας 1 kg αλλάζει την ταχύτητά του κατά 1 m σε 1 δευτερόλεπτο.
Ορίζεται η δύναμη ως διανυσματική ποσότητα:
- κατεύθυνση δράσης;
- σημείο εφαρμογής;
- ενότητα, απόλυτημέγεθος.
Περιγράφοντας την αλληλεπίδραση, φροντίστε να υποδείξετε αυτές τις παραμέτρους.
Τύποι φυσικών αλληλεπιδράσεων: βαρυτικές, ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές, ασθενείς. Οι δυνάμεις βαρύτητας (η δύναμη της παγκόσμιας βαρύτητας με την ποικιλία της - η δύναμη της βαρύτητας) υπάρχουν λόγω της επίδρασης των βαρυτικών πεδίων που περιβάλλουν κάθε σώμα που έχει μάζα. Η μελέτη των βαρυτικών πεδίων δεν έχει ολοκληρωθεί μέχρι στιγμής. Δεν είναι ακόμη δυνατό να βρεθεί η πηγή του πεδίου.
Ένα μεγαλύτερο εύρος δυνάμεων προκύπτει από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση των ατόμων που αποτελούν την ύλη.
Δύναμη πίεσης
Όταν ένα σώμα αλληλεπιδρά με τη Γη, ασκεί πίεση στην επιφάνεια. Η δύναμη πίεσης, ο τύπος της οποίας είναι: P=mg, προσδιορίζεται από τη μάζα σώματος (m). Η βαρυτική επιτάχυνση (g) έχει διαφορετικές τιμές σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη της Γης.
Η δύναμη της κατακόρυφης πίεσης είναι ίση σε απόλυτη τιμή και αντίθετη ως προς τη δύναμη της ελαστικότητας που προκύπτει στο στήριγμα. Ο τύπος δύναμης αλλάζει ανάλογα με την κίνηση του σώματος.
Αλλαγή στο σωματικό βάρος
Η δράση ενός σώματος σε ένα στήριγμα λόγω αλληλεπίδρασης με τη Γη αναφέρεται συχνά ως το βάρος του σώματος. Είναι ενδιαφέρον ότι η ποσότητα του σωματικού βάρους εξαρτάται από την επιτάχυνση της κίνησης στην κατακόρυφη κατεύθυνση. Στην περίπτωση που η κατεύθυνση της επιτάχυνσης είναι αντίθετη από την επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης, παρατηρείται αύξηση του βάρους. Εάν η επιτάχυνση του σώματος συμπίπτει με την κατεύθυνση της ελεύθερης πτώσης, τότε το βάρος του σώματος μειώνεται. Για παράδειγμα, ενώ σε ένα ανυψωτικό ανελκυστήρα, στην αρχή της ανάβασης, ένα άτομο αισθάνεται αύξηση βάρους για λίγο. Βεβαιωθείτε ότι η μάζα τουαλλάζει, όχι. Ταυτόχρονα, διαχωρίζουμε τις έννοιες του «σωματικού βάρους» και της «μάζας» του.
Ελαστική δύναμη
Κατά την αλλαγή του σχήματος ενός σώματος (την παραμόρφωσή του), εμφανίζεται μια δύναμη που τείνει να επαναφέρει το σώμα στο αρχικό του σχήμα. Σε αυτή τη δύναμη δόθηκε το όνομα «ελαστική δύναμη». Προκύπτει λόγω της ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που αποτελούν το σώμα.
Ας εξετάσουμε την απλούστερη παραμόρφωση: τάση και συμπίεση. Η τάση συνοδεύεται από αύξηση των γραμμικών διαστάσεων των σωμάτων, ενώ η συμπίεση συνοδεύεται από μείωση τους. Η τιμή που χαρακτηρίζει αυτές τις διεργασίες ονομάζεται επιμήκυνση σώματος. Ας το συμβολίσουμε με "χ". Ο τύπος ελαστικής δύναμης σχετίζεται άμεσα με την επιμήκυνση. Κάθε σώμα που υποβάλλεται σε παραμόρφωση έχει τις δικές του γεωμετρικές και φυσικές παραμέτρους. Η εξάρτηση της ελαστικής αντίστασης στην παραμόρφωση από τις ιδιότητες του σώματος και του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο καθορίζεται από τον συντελεστή ελαστικότητας, ας τον ονομάσουμε ακαμψία (k).
Το μαθηματικό μοντέλο της ελαστικής αλληλεπίδρασης περιγράφεται από το νόμο του Hooke.
Η δύναμη που προκύπτει από την παραμόρφωση του σώματος στρέφεται ενάντια στην κατεύθυνση μετατόπισης μεμονωμένων τμημάτων του σώματος, είναι ευθέως ανάλογη με την επιμήκυνσή του:
- Fy=-kx (διανυσματική σημείωση).
Το σύμβολο "-" υποδηλώνει την αντίθετη κατεύθυνση της παραμόρφωσης και της δύναμης.
Δεν υπάρχει αρνητικό πρόσημο σε βαθμωτή μορφή. Η ελαστική δύναμη, ο τύπος της οποίας έχει την ακόλουθη μορφή Fy=kx, χρησιμοποιείται μόνο για ελαστικές παραμορφώσεις.
Αλληλεπίδραση μαγνητικού πεδίου με ρεύμα
ΕπιρροήΤο μαγνητικό πεδίο σε συνεχές ρεύμα περιγράφεται από το νόμο του Ampère. Σε αυτή την περίπτωση, η δύναμη με την οποία το μαγνητικό πεδίο δρα σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα που τοποθετείται σε αυτό ονομάζεται δύναμη Ampère.
Η αλληλεπίδραση ενός μαγνητικού πεδίου με ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο προκαλεί εκδήλωση δύναμης. Η δύναμη Ampere, ο τύπος της οποίας είναι F=IBlsinα, εξαρτάται από τη μαγνητική επαγωγή του πεδίου (B), το μήκος του ενεργού τμήματος του αγωγού (l), την ένταση ρεύματος (I) στον αγωγό και τη γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης του ρεύματος και της μαγνητικής επαγωγής.
Λόγω της τελευταίας εξάρτησης, μπορεί να υποστηριχθεί ότι το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου μπορεί να αλλάξει όταν ο αγωγός περιστρέφεται ή αλλάζει η κατεύθυνση του ρεύματος. Ο κανόνας του αριστερού χεριού σάς επιτρέπει να ορίσετε την κατεύθυνση της δράσης. Εάν το αριστερό χέρι είναι τοποθετημένο έτσι ώστε το διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής να εισέρχεται στην παλάμη, τέσσερα δάχτυλα κατευθύνονται κατά μήκος του ρεύματος στον αγωγό, τότε ο αντίχειρας λυγισμένος κατά 90° θα δείξει την κατεύθυνση του μαγνητικό πεδίο.
Η χρήση αυτού του αποτελέσματος από την ανθρωπότητα έχει βρεθεί, για παράδειγμα, σε ηλεκτρικούς κινητήρες. Η περιστροφή του ρότορα προκαλείται από ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από έναν ισχυρό ηλεκτρομαγνήτη. Ο τύπος δύναμης σάς επιτρέπει να κρίνετε τη δυνατότητα αλλαγής της ισχύος του κινητήρα. Με αύξηση του ρεύματος ή της ισχύος πεδίου, η ροπή αυξάνεται, με αποτέλεσμα την αύξηση της ισχύος του κινητήρα.
Τροχίες σωματιδίων
Η αλληλεπίδραση ενός μαγνητικού πεδίου με ένα φορτίο χρησιμοποιείται ευρέως σε φασματογράφους μάζας στη μελέτη στοιχειωδών σωματιδίων.
Η δράση του πεδίου σε αυτή την περίπτωση προκαλεί την εμφάνιση μιας δύναμης που ονομάζεταιΔύναμη Lorentz. Όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο που κινείται με μια συγκεκριμένη ταχύτητα εισέρχεται σε ένα μαγνητικό πεδίο, η δύναμη Lorentz, ο τύπος της οποίας έχει τη μορφή F=vBqsinα, προκαλεί το σωματίδιο να κινείται σε κύκλο.
Σε αυτό το μαθηματικό μοντέλο, v είναι ο συντελεστής ταχύτητας ενός σωματιδίου του οποίου το ηλεκτρικό φορτίο είναι q, B είναι η μαγνητική επαγωγή του πεδίου, α είναι η γωνία μεταξύ των κατευθύνσεων της ταχύτητας και της μαγνητικής επαγωγής.
Το σωματίδιο κινείται σε κύκλο (ή σε τόξο κύκλου), αφού η δύναμη και η ταχύτητα κατευθύνονται σε γωνία 90° μεταξύ τους. Η αλλαγή της κατεύθυνσης της γραμμικής ταχύτητας προκαλεί την εμφάνιση επιτάχυνσης.
Ο κανόνας του αριστερού χεριού, που συζητήθηκε παραπάνω, ισχύει επίσης κατά τη μελέτη της δύναμης Lorentz: εάν το αριστερό χέρι είναι τοποθετημένο έτσι ώστε το διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής να εισέρχεται στην παλάμη, τέσσερα δάχτυλα που εκτείνονται σε μια γραμμή κατευθύνονται κατά μήκος της η ταχύτητα ενός θετικά φορτισμένου σωματιδίου και μετά ο αντίχειρας λυγισμένος 90° δείχνει την κατεύθυνση της δύναμης.
Προβλήματα πλάσματος
Η αλληλεπίδραση μαγνητικού πεδίου και ύλης χρησιμοποιείται στα κυκλοτρόνια. Τα προβλήματα που σχετίζονται με την εργαστηριακή μελέτη του πλάσματος δεν επιτρέπουν τη διατήρησή του σε κλειστά δοχεία. Ένα αέριο υψηλής ιονισμού μπορεί να υπάρχει μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες. Το πλάσμα μπορεί να διατηρηθεί σε ένα μέρος στο διάστημα μέσω μαγνητικών πεδίων, περιστρέφοντας το αέριο με τη μορφή δακτυλίου. Οι ελεγχόμενες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις μπορούν επίσης να μελετηθούν περιστρέφοντας το πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας σε ένα νήμα χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία.
Ένα παράδειγμα της δράσης ενός μαγνητικού πεδίουin vivo σε ιονισμένο αέριο - Aurora Borealis. Αυτό το μεγαλειώδες θέαμα παρατηρείται πέρα από τον Αρκτικό Κύκλο σε υψόμετρο 100 χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια της γης. Η μυστηριώδης πολύχρωμη λάμψη του αερίου μπορούσε να εξηγηθεί μόνο στον 20ο αιώνα. Το μαγνητικό πεδίο της γης κοντά στους πόλους δεν μπορεί να εμποδίσει τον ηλιακό άνεμο να διεισδύσει στην ατμόσφαιρα. Η πιο ενεργή ακτινοβολία που κατευθύνεται κατά μήκος των γραμμών της μαγνητικής επαγωγής προκαλεί ιονισμό της ατμόσφαιρας.
Φαινόμενα που σχετίζονται με την κίνηση φόρτισης
Ιστορικά, η κύρια ποσότητα που χαρακτηρίζει τη ροή του ρεύματος σε έναν αγωγό ονομάζεται ένταση ρεύματος. Είναι ενδιαφέρον ότι αυτή η έννοια δεν έχει καμία σχέση με τη δύναμη στη φυσική. Η ισχύς ρεύματος, ο τύπος του οποίου περιλαμβάνει το φορτίο που ρέει ανά μονάδα χρόνου μέσω της διατομής του αγωγού, είναι:
I=q/t, όπου t είναι ο χρόνος ροής φόρτισης q
Στην πραγματικότητα, η τρέχουσα ισχύς είναι η ποσότητα φόρτισης. Η μονάδα μέτρησής του είναι Ampere (A), σε αντίθεση με το N.
Προσδιορισμός του έργου μιας δύναμης
Η αναγκαστική δράση σε μια ουσία συνοδεύεται από την εκτέλεση της εργασίας. Το έργο μιας δύναμης είναι μια φυσική ποσότητα αριθμητικά ίση με το γινόμενο της δύναμης και της μετατόπισης που διέρχεται από τη δράση της, και το συνημίτονο της γωνίας μεταξύ των κατευθύνσεων της δύναμης και της μετατόπισης.
Το επιθυμητό έργο της δύναμης, ο τύπος της οποίας είναι A=FScosα, περιλαμβάνει το μέγεθος της δύναμης.
Η δράση του σώματος συνοδεύεται από αλλαγή της ταχύτητας του σώματος ή παραμόρφωση, που υποδηλώνει ταυτόχρονες αλλαγές στην ενέργεια. Το έργο που κάνει μια δύναμη εξαρτάται απότιμές.
