Οι μονάδες μέτρησης στη φυσική παίζουν σημαντικό ρόλο στην επίλυση πρακτικών προβλημάτων. Χάρη σε αυτά, είναι δυνατό να προσδιοριστεί η ορθότητα του ληφθέντος αποτελέσματος και να κατανοηθεί η ποσοτική του αξία σε σύγκριση με ένα γνωστό πρότυπο. Ας εξετάσουμε στο άρθρο τι είναι ένα φυσικό μέγεθος με μονάδα μέτρησης Newton ανά μέτρο.
Ο Νεύτωνας είναι μονάδα δύναμης
Κάθε μαθητής γνωρίζει ποιος είναι ο Ισαάκ Νεύτων και ποια συνεισφορά είχε στην ανάπτυξη της κλασικής μηχανικής. Με απόλυτη βεβαιότητα, μπορούμε να πούμε ότι η δυναμική, ως κλάδος της φυσικής που μελετά τις δυνάμεις, είναι πλήρως χτισμένη στους νόμους του μεγάλου Άγγλου επιστήμονα. Ως εκ τούτου, η διεθνής κοινότητα αποφάσισε να ονομάσει τη μονάδα δύναμης Newton (N). Ένα Newton είναι μια τέτοια δύναμη που, όταν ενεργεί σε ένα σώμα βάρους 1 κιλού, του λέει μια επιτάχυνση 1 m/s2.
Ο Νεύτωνας είναι η κύρια μονάδα δύναμης κάθε είδους. Ωστόσο, δεν είναι μία από τις επτά βασικές μονάδες του διεθνούς συστήματος SI. Οπως ήτανείπε, ορίζεται μέσα από 3 άλλες βασικές έννοιες - ένα κιλό (ένα μέτρο μάζας), ένα μέτρο (ένα μέτρο απόστασης στο διάστημα) και ένα δευτερόλεπτο (ένα μέτρο του χρόνου).
Τι είναι ένας Νιούτον ανά μέτρο;
Αφού εξοικειωθούμε με την έννοια του «νεύτωνα» ως μονάδας μέτρησης δυνάμεων, ας επιστρέψουμε στο θέμα του άρθρου. Ποια είναι η τιμή ενός Newton πολλαπλασιαζόμενη επί ένα μέτρο; Για όσους δεν μπορούν να απαντήσουν αμέσως στην ερώτηση που τίθεται, ας γράψουμε αυτήν την πράξη σε μαθηματική μορφή:
A=Fl
Αν, ως αποτέλεσμα της δύναμης F, το σώμα κινηθεί μια απόσταση l, τότε το γινόμενο αυτών των φυσικών μεγεθών θα δώσει το έργο που εκτελείται από τη δύναμη κατά μήκος της κατεύθυνσης της κίνησης.
Η εργασία είναι ενεργειακό χαρακτηριστικό, μετριέται σε τζάουλ (J). Ένα joule, σύμφωνα με τον ορισμό του έργου, είναι η ενέργεια που θα ξοδέψει μια δύναμη 1 newton όταν μετακινηθεί ένα σώμα κατά 1 μέτρο.
Ανάλογα με τη φυσική διαδικασία, το έργο που δαπανάται σε κινούμενα σώματα μπορεί να μετατραπεί σε διάφορους τύπους ενέργειας. Για παράδειγμα, αν ένας κατασκευαστικός γερανός σηκώσει μια πλάκα από σκυρόδεμα, τότε η δυναμική του ενέργεια στο πεδίο της βαρύτητας αυξάνεται. Ένα άλλο παράδειγμα: οι άνθρωποι, εφαρμόζοντας μια σταθερή δύναμη, σπρώχνουν ένα αυτοκίνητο για κάποιο χρονικό διάστημα. Μέρος της εργασίας που δαπανάται πηγαίνει για να ξεπεραστεί η δύναμη τριβής κύλισης και, ως αποτέλεσμα, πηγαίνει σε θερμική ενέργεια, το άλλο μέρος πηγαίνει στην αύξηση της κινητικής ενέργειας του οχήματος.
Έτσι, ένα Newton ανά μέτρο είναι μια μονάδα εργασίας που ονομάζεται joule.
Στιγμήδύναμη
Εκτός από την εργασία, αυτή η μονάδα χρησιμοποιείται επίσης για τη μέτρηση της ροπής δύναμης. Το τελευταίο περιγράφεται με τον ίδιο τύπο με το έργο, ωστόσο, η δύναμη σε αυτή την περίπτωση κατευθύνεται υπό κάποια γωνία προς το διάνυσμα l, που είναι η απόσταση από το σημείο εφαρμογής της δύναμης στον άξονα περιστροφής.
Παρά το γεγονός ότι η ροπή της δύναμης περιγράφεται σε μονάδες εργασίας, δεν είναι. Ονομάζεται επίσης ροπή, καθώς δείχνει την ικανότητα μιας εξωτερικής δύναμης να περιστρέφει το σύστημα γύρω από έναν άξονα και να του δίνει κάποια γωνιακή επιτάχυνση. Αν η ροπή της δύναμης πολλαπλασιαστεί με τη γωνία περιστροφής σε ακτίνια, τότε παίρνουμε το έργο. Η μονάδα μέτρησης δεν θα αλλάξει.
Μονάδα πίεσης
Σαν μέρος του θέματος του άρθρου, θα εξετάσουμε επίσης πώς μετράται η πίεση στη φυσική. Οι άνθρωποι που αγαπούν αυτή την επιστήμη θα δώσουν γρήγορα τη σωστή απάντηση, ονομάζοντας το pascal ως μονάδα μέτρησης της πίεσης στο SI. Στα προβλήματα και στην πράξη, συχνά συναντώνται άλλες μονάδες πίεσης, οι οποίες είναι βολικές στη χρήση σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση. Έτσι, ευρέως διαδεδομένο: ατμόσφαιρα, torr ή χιλιοστό υδραργύρου και μπαρ. Κάθε ένα από αυτά μεταφράζεται μοναδικά σε Pascal, χρησιμοποιώντας τον κατάλληλο παράγοντα μετατροπής.
Θεωρούμε την πίεση εντός του πεδίου εφαρμογής αυτού του άρθρου επειδή σχετίζεται στενά με τη δύναμη. Εξ ορισμού, πίεση είναι μια ποσότητα ίση με τον λόγο της δύναμης που ενεργεί κάθετα στην επιφάνεια προς την περιοχή αυτής της επιφάνειας, δηλαδή:
P=F / S
Από αυτήν την ισότητα παίρνουμε μονάδαμετρήστε το Newton ανά τετραγωνικό μέτρο (N/m2). Η τιμή του 1 N/m2 ονομάζεται pascal από τον Γάλλο φυσικό Blaise Pascal, ο οποίος σχεδίασε το βαρόμετρο και μέτρησε την ατμοσφαιρική πίεση σε διαφορετικά ύψη σε σχέση με το επίπεδο της θάλασσας.
Ένα πασκάλ είναι μια πολύ μικρή ποσότητα πίεσης. Η αξία του μπορεί να φανταστεί κανείς αν πάρουμε 100 χιλιοστόλιτρα αποσταγμένου νερού και το διανείμουμε σε μια έκταση 1 τετραγωνικού μέτρου. Για παράδειγμα, σημειώστε ότι η ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας είναι περίπου 100.000 πασκάλ.
Για λόγους πληρότητας, σημειώνουμε ότι ποσότητες με τη μονάδα μέτρησης του Νεύτωνα πολλαπλασιαζόμενη επί τετραγωνικό μέτρο δεν υπάρχουν στη φυσική.
Παράδειγμα προβλήματος
Είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί τι έργο έγινε από τη βαρύτητα εάν το σώμα έπεφτε από ένα ορισμένο ύψος στην επιφάνεια της γης σε 5 δευτερόλεπτα. Πάρτε το σωματικό βάρος ίσο με ένα κιλό.
Η βαρύτητα μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:
F=mg=19, 81=9, 81 H
Για να προσδιορίσετε το ύψος από το οποίο έπεσε το σώμα, θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε τον τύπο για ομοιόμορφα επιταχυνόμενη κίνηση χωρίς αρχική ταχύτητα:
h=gt2 / 2=9,8152 / 2=122,625 m
Για να γίνει η εργασία με τη βαρύτητα, πολλαπλασιάστε το F και το h:
A=Fh=9,81122,625 ≈ 1203 J
Η βαρύτητα έχει κάνει θετική εργασία περίπου 1200 newtons ανά μέτρο, ή 1,2 kilojoules.
