Putere

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea altor semnificații, consultați Forța (dezambiguizarea) .

O forță este o mărime fizică vectorială care se manifestă prin interacțiunea reciprocă a două sau mai multe corpuri atât la nivel macroscopic, cât și la nivelul particulelor elementare . Cuantifică fenomenul inducerii unei variații a stării de repaus sau mișcare a corpurilor în sine; în prezența mai multor forțe, rezultatul compoziției lor vectoriale determină variația mișcării. Forța este descrisă în mod clasic de a doua lege a lui Newton ca o derivată în timp a impulsului unui corp în raport cu timpul . [1]

O forță este adesea descrisă ca o împingere sau tragere. Forțele se pot datora unor fenomene precum gravitația, magnetismul sau orice alt fenomen care indică accelerarea unui corp.

În formule:

care, dacă masa corpului este constantă, se reduce la:

Legea evidențiază imediat caracterul vector al forței, deoarece derivata unui vector este încă un vector.

Unitate de măsură

Sistem internațional

Unitatea de forță SI este newtonul , definit ca:

Luând în considerare al doilea principiu al dinamicii, putem afirma că o forță de 1 N dă o accelerație de 1 m / s² unui corp cu masa de 1 kg.

Alte sisteme de unități de măsură

În sistemul CGS , forța este măsurată în dinine .

Efecte

Prin urmare, forțele sunt cauzele schimbării mișcării corpurilor: ele pot, prin urmare, să pună în mișcare un corp care se afla anterior în stare de repaus, să modifice mișcarea unui corp aflat anterior în mișcare sau să readucă corpul în repaus.

La nivel practic, forțele aplicate unui corp dat pot avea două tipuri diferite de efecte: [2]

  • efecte statice : corpul, chiar dacă este supus forțelor, rămâne în repaus; acest lucru se întâmplă atunci când, având în vedere o stare inițială de repaus, forțele suferite de corp sunt exact echilibrate; domeniul mecanicii care se ocupă cu studiul acestor efecte este statica : analizează efectele forțelor asupra corpurilor în repaus și caută condițiile de echilibru ale corpurilor supuse unui set de forțe diferite; de cele mai multe ori în echilibrul forțelor este necesar să se ia în considerare reacțiile de constrângere și deformările materialelor;
  • efecte dinamice : induc variații ale impulsului corpului; dinamica analizează cu precizie efectele forțelor asupra mișcării și încearcă să prezică mișcarea unui anumit sistem de corpuri dacă sunt cunoscute forțele aplicate acestuia, inclusiv reacțiile de constrângere menționate anterior.

Mediul unui corp este definit ca ansamblul de forțe pe care alte corpuri îl exercită asupra acestuia.

Conform legii lui Hooke , deplasarea din poziția de repaus într-un arc este proporțională cu forța aplicată

Definiția operațională a forței (punct de vedere static)

Din punct de vedere operațional, este posibil să se afirme că, dacă un corp este deformat în raport cu starea sa de repaus, atunci acesta este supus acțiunii unei forțe [3] .

O definiție statică a forței este posibilă prin măsurarea deformării unui corp urmând legea lui Hooke , adică astfel încât deformarea să fie direct proporțională cu forța aplicată. Aceasta înseamnă că dacă o greutate a eșantionului este suspendată dintr-un arc ideal, se obține o anumită alungire x , în timp ce dacă două greutăți ale eșantionului, egale cu precedentul, sunt suspendate din același arc, alungirea este egală cu 2 x . Folosind această proprietate liniară a arcurilor este posibil să se construiască instrumente de măsurare a forței, numite dinamometre . [4] Ori de câte ori un dinamometru se întinde, înseamnă că i se aplică o forță.

Folosind un dinamometru, se obține o măsurare indirectă a forței, deoarece cantitatea măsurată nu este forța directă, ci deformarea arcului conținut în dinamometru; cu toate acestea, observăm că aceeași situație experimentală apare în măsurarea temperaturii (ceea ce se măsoară de fapt este dilatarea mercurului) sau a presiunii (se măsoară înălțimea unei coloane de lichid).

Definiția generală a forței

Forța generalizată asociată cu un grad de libertate a sistemului i este:

Unde W este opera rezultatului F activ care acționează asupra sistemului. Prin urmare, în termeni newtonieni pentru variabilele de lungime și unghi, respectiv, forța și cantitățile de moment mecanice luate de-a lungul variabilei, în cazul mai general al unei combinații a celor două.

În cazul constrângerilor bilaterale, acestea permit ca reacțiile de constrângere (rezultate R ) să fie ignorate în analiza sistemului, chiar și pentru sistemele scleronomice : având o deplasare virtuală , obținută luând în considerare doar deplasările admisibile cu constrângerile considerate ca fiind fixe la momentul de referință, lucrarea virtuală care acționează asupra particulei a n-a a sistemului este:

Dacă constrângerile sistemului sunt bilaterale, pentru principiul reacțiilor de constrângere, constrângerile virtuale funcționează sunt nule, adică reacțiile sunt ortogonale la deplasările virtuale:

Exprimând în funcție de coordonate generalizate , și amintindu-mi asta prin definiție a deplasării virtuale:

Munca virtuală asupra particulei supuse constrângerilor bilaterale este deci în întregime calculabilă prin forțele generalizate care acționează asupra ei. La un nivel ingineresc în care este necesar să se urmărească efortul care ar trebui depus de toate forțele care nu constrâng în cazul în care sistemul suferă o deplasare virtuală , sau la solicitările externe impuse efectiv de constrângeri, abordarea lagrangiană este, prin urmare, deosebit de utilă.

Pe baza ecuațiilor Lagrange de tip I și sub forma Nielsen , forța generalizată poate fi legată de energia cinetică a sistemului: , Rețineți atunci că forțele generalizate diferă, prin urmare, pentru al doilea termen dă-i care ar fi atins prin generalizarea definiției newtoniene a forței ca derivată temporală totală a impulsului, adică a doua lege a dinamicii .

Caracter de vector forțat

Forța este o mărime vectorială , adică este descrisă din punct de vedere matematic de un vector . Aceasta înseamnă că măsura unei forțe, sau intensitatea acesteia măsurată în newtoni, reprezintă doar modulul forței, care trebuie definit și necesită specificarea unui punct de aplicare (punctul corpului în care acționează forța), de o direcție (fascicul de linii paralele) și a unei direcții (indicată de orientarea vectorului).

Caracterul vector al forței se manifestă, de asemenea, prin modul în care forțele pot fi adăugate împreună. După cum se poate verifica experimental, două forțe Și cu același punct de aplicare, dar se adaugă direcții diferite cu regula paralelogramului (vezi figura din lateral). Aceasta înseamnă că, dacă forțele sunt aplicate pe un corp în același timp Și , se va deplasa de-a lungul direcției diagonalei paralelogramului, de parcă i s-ar aplica doar forță , numit, de fapt sumă sau rezultantă .

Forța rezultată este egală cu suma vectorială a celorlalte două forțe conform regulii paralelogramului .
Elemente ale unui vector generic.

Acțiune la distanță și câmp de forță

O forță nu poate fi exercitată neapărat în contact cu un corp, dar poate exista și un câmp de forță , adică o regiune în care un corp își exercită forța, existând independent de un al doilea corp care este afectat de acesta.

Potențial legat de câmpul electric generat de o sferă cu o rază de 2 cm cu o sarcină pozitivă Q = 1 mC (planul xy este orice plan care trece prin centrul sferei). Energia potențială este egală cu potențialul schimbat în semn.

Unele forțe au o astfel de structură încât munca efectuată asupra unui corp poate fi întotdeauna exprimată printr-o funcție scalară , numită potențial , care depinde numai de extremele deplasării și nu de traiectorie. Aceste forțe sunt numite forțe conservatoare și admit o energie potențială . Energia potențială (de obicei indicată cu simbolul U ) reprezintă un câmp scalar egal cu funcția potențială modificată în semn, a cărei forță este gradientul :

Exemple clasice de forțe conservatoare sunt forța gravitațională și forța electrică sau Coulomb . Acestea se caracterizează prin relații:

Semnificația geometrică a gradientului unei funcții poate fi ușor interpretată, cel puțin în cazul funcțiilor în două variabile ca în exemplul din figură, ca vectorul care indică, punct cu punct, panta maximă, în direcția crescătoare ; faptul că o forță conservatoare este egală cu minus gradientul de energie înseamnă că este direcționată într-un mod de a minimiza gradientul de energie.

Natura problematică a conceptului de forță

Definiția operațională prezentată mai sus este cea mai comună în manuale, dar observăm că nu este satisfăcătoare, deoarece necesită introducerea legii lui Hooke și a forței de greutate, lovind o definiție circulară (definiția legii lui Hooke este dependentă de forță). În alte expuneri ale dinamicii , forța este definită cu exactitate de a doua lege a dinamicii sau cu riscul de a trece într-un adevărat truism . În alte tratate, forța este introdusă ca un concept intuitiv, legat de impresiile legate de efortul muscular : pentru a evidenția inadecvarea acestei abordări, este suficient să se observe pericolul inerent confuziei dintre conceptele fizice aparținând unei teorii și conceptele care vin din experiența naivă: de exemplu, menținerea unei greutăți ridicate implică efort muscular, dar nu muncă (în sensul fizic al termenului).

În multe expuneri recente ale mecanicii , forța este de obicei implicit definită în termeni de ecuații care funcționează cu aceasta: această abordare, atunci când se ia în considerare necesitatea de a specifica referința în care se află aceste ecuații, nu este complet satisfăcătoare în rezolvarea problemelor. definiție „clasic”. Unii fizicieni, filozofi și matematicieni, precum Ernst Mach , Clifford Truesdell și Walter Noll , au găsit acest fapt problematic și au căutat o definiție mai explicită a forței, subliniind și neesențialitatea acestui concept pentru înțelegerea mecanicii. Ernst Mach a criticat, de asemenea, ideea, în opinia sa metafizică, că forțele sunt cauzele mișcării: numai corpurile pot influența starea de mișcare a altor corpuri și este dificil să ne gândim că forța, un concept abstract, poate fi cauza oricărui lucru. .

Relațiile dintre unitățile de forță și unitățile de masă

La nivelul mării, accelerația datorată gravitației ( a în ecuația de mai sus) este de 9.807 metri pe secundă pătrat, astfel încât greutatea unui kilogram este de 1 kg × 9.807 m / s² = 9.807 N.

Uneori, în special în contexte tehnice, kilogramul de masă (indicat cu „kgm”) se distinge pentru a indica kg și kilogramul de forță (sau kilogramul de greutate , indicat cu „kgf”) pentru a indica valoarea de 9.807 N. kilogramul de greutate este totuși nu este recunoscută ca unitate de măsură în sistemul internațional și ar fi indicat să nu o utilizați pentru a nu crea confuzie între conceptele de masă și greutate .

De fapt, masa este o proprietate intrinsecă a obiectului, în timp ce greutatea depinde de gravitație.

Forțele fundamentale ale naturii

Conform celor mai acreditate teorii științifice în prezent, în natură există patru forțe, sau mai bine zis interacțiuni fundamentale care operează asupra corpurilor: gravitația , interacțiunea electromagnetică , interacțiunea nucleară puternică și interacțiunea slabă . Prima, conform teoriei relativității generale, este un efect al geometriei spațiu-timp , în timp ce celelalte trei interacțiuni, care sunt teorii ale gabaritului , se datorează schimburilor de particule, numite bosoni de gabarit , conform tabelului următor:

Forța electromagnetică Forță nucleară slabă Forță nucleară puternică
Foton Bosonii purtători W + , W - , Z Gluoni g

Modelul standard oferă o casetă coerentă în care sunt inserate cele trei teorii ale gabaritului , în timp ce până în prezent a fost imposibil să se urmărească o versiune cuantică a gravitației, deși a fost teoretizată o particulă de mediere ( gravitonul ) pentru care nu există nici o empirică. dovezi.

Notă

  1. ^(RO) IUPAC Gold Book, „forță”
  2. ^ Turchetti , p. 39 .
  3. ^ Notă terminologică. Limba engleză are singurul cuvânt tărie pentru cuvintele italiene „tărie” și „efort”, care sunt totuși distincte.
  4. ^ Turchetti , pp. 41-42 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 8644 · LCCN (EN) sh85050452 · GND (DE) 4032651-2 · NDL (EN, JA) 00.926.874