Lihat juga "Portal Fisik"

Gaya sebagai besaran vektor dicirikan modul , arah Dan "titik" dari aplikasi kekuatan. Dengan parameter terakhir, konsep gaya sebagai vektor dalam fisika berbeda dengan konsep vektor dalam aljabar vektor, di mana vektor yang sama dalam nilai dan arah absolut, terlepas dari titik penerapannya, dianggap sebagai vektor yang sama. Dalam fisika, vektor ini disebut vektor bebas.Dalam mekanika, konsep vektor terikat, yang permulaannya ditetapkan pada titik tertentu dalam ruang, atau mungkin pada garis yang melanjutkan arah vektor (vektor geser), sangat umum. .

Konsep ini juga digunakan garis kekuatan, menunjukkan garis lurus yang melewati titik penerapan gaya, di mana gaya diarahkan.

Dimensi gaya adalah LMT −2, satuan pengukuran dalam Sistem Satuan Internasional (SI) adalah newton (N, N), dalam sistem CGS - dyne.

Sejarah konsep

Konsep gaya digunakan oleh para ilmuwan kuno dalam karya mereka tentang statika dan gerak. Dia terlibat dalam studi kekuatan dalam proses merancang mekanisme sederhana di abad III. SM e. Archimedes. Gagasan kekuasaan Aristoteles, terkait dengan ketidakkonsistenan mendasar, bertahan selama beberapa abad. Ketidakkonsistenan ini dihilangkan pada abad ke-17. Isaac Newton menggunakan metode matematika untuk menggambarkan gaya. Mekanika Newton tetap diterima secara umum selama hampir tiga ratus tahun. Pada awal abad XX. Albert Einstein dalam teori relativitas menunjukkan bahwa mekanika Newton benar hanya pada kecepatan dan massa benda yang relatif rendah dalam sistem, dengan demikian mengklarifikasi ketentuan dasar kinematika dan dinamika dan mendeskripsikan beberapa sifat baru ruang-waktu.

mekanika Newton

Isaac Newton berangkat untuk menggambarkan pergerakan benda menggunakan konsep inersia dan gaya. Setelah melakukan ini, dia menetapkan sepanjang jalan bahwa setiap gerakan mekanis tunduk pada hukum kekekalan umum. Dalam Tuan Newton menerbitkan karyanya yang terkenal "", di mana dia menguraikan tiga hukum dasar mekanika klasik (hukum Newton yang terkenal).

hukum pertama Newton

Misalnya, hukum mekanika persis sama di badan truk saat melaju di sepanjang bagian jalan yang lurus dengan kecepatan konstan dan saat berhenti. Seseorang dapat melempar bola secara vertikal ke atas dan menangkapnya setelah beberapa saat di tempat yang sama, terlepas dari apakah truk bergerak secara merata dan lurus atau diam. Baginya, bola terbang dalam garis lurus. Namun, bagi pengamat luar di lapangan, lintasan bola terlihat seperti parabola. Ini disebabkan oleh fakta bahwa bola bergerak relatif ke tanah selama penerbangan tidak hanya secara vertikal, tetapi juga secara horizontal dengan inersia ke arah truk. Untuk seseorang di belakang truk, tidak masalah apakah yang terakhir bergerak di sepanjang jalan, atau dunia sekitar bergerak dengan kecepatan konstan ke arah yang berlawanan, dan truk itu diam. Dengan demikian, keadaan diam dan gerak lurus beraturan secara fisik tidak dapat dibedakan satu sama lain.

hukum kedua Newton

Menurut definisi momentum:

dimana massa, adalah kecepatan.

Jika massa suatu titik material tetap tidak berubah, maka turunan waktu dari massa tersebut adalah nol, dan persamaannya menjadi:

hukum ketiga Newton

Untuk dua benda apa pun (sebut saja benda 1 dan benda 2), hukum ketiga Newton menyatakan bahwa gaya aksi benda 1 pada benda 2 disertai dengan munculnya gaya yang sama dalam nilai absolut, tetapi berlawanan arah, bertindak pada benda 1 dari benda 2. Secara matematis, hukumnya ditulis seperti ini:

Hukum ini berarti bahwa gaya selalu muncul dalam pasangan aksi-reaksi. Jika benda 1 dan benda 2 berada dalam sistem yang sama, maka gaya total dalam sistem akibat interaksi benda-benda ini adalah nol:

Ini berarti tidak ada gaya dalam yang tidak seimbang dalam sistem tertutup. Ini mengarah pada fakta bahwa pusat massa sistem tertutup (yaitu, yang tidak terpengaruh oleh gaya eksternal) tidak dapat bergerak dengan percepatan. Bagian-bagian terpisah dari sistem dapat berakselerasi, tetapi hanya sedemikian rupa sehingga sistem secara keseluruhan tetap dalam keadaan diam atau gerak bujursangkar seragam. Namun, jika gaya luar bekerja pada sistem, maka pusat massanya akan mulai bergerak dengan percepatan yang sebanding dengan gaya luar yang dihasilkan dan berbanding terbalik dengan massa sistem.

Interaksi Mendasar

Semua kekuatan di alam didasarkan pada empat jenis interaksi mendasar. Kecepatan maksimum perambatan semua jenis interaksi sama dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Gaya elektromagnetik bekerja di antara benda bermuatan listrik, gaya gravitasi bekerja di antara benda masif. Yang kuat dan yang lemah hanya muncul pada jarak yang sangat kecil dan bertanggung jawab atas interaksi antar partikel subatomik, termasuk nukleon yang menyusun inti atom.

Intensitas interaksi kuat dan lemah diukur dalam satuan energi(elektron volt), tidak satuan kekuatan, dan oleh karena itu penerapan istilah "kekuatan" untuk mereka dijelaskan oleh tradisi yang diambil dari zaman kuno untuk menjelaskan fenomena apa pun di dunia sekitar kita dengan tindakan "kekuatan" yang spesifik untuk setiap fenomena.

Konsep gaya tidak dapat diterapkan pada fenomena dunia subatomik. Ini adalah konsep dari gudang fisika klasik, yang terkait (walaupun hanya secara tidak sadar) dengan gagasan Newton tentang gaya yang bekerja di kejauhan. Dalam fisika subatomik, tidak ada lagi gaya seperti itu: mereka digantikan oleh interaksi antar partikel yang terjadi melalui medan, yaitu beberapa partikel lain. Oleh karena itu, fisikawan energi tinggi menghindari penggunaan kata tersebut memaksa, menggantinya dengan kata interaksi.

Setiap jenis interaksi disebabkan oleh pertukaran pembawa interaksi yang sesuai: gravitasi - pertukaran graviton (keberadaannya belum dikonfirmasi secara eksperimental), elektromagnetik - foton virtual, boson vektor lemah, gluon kuat (dan pada jarak jauh - meson ). Saat ini, interaksi elektromagnetik dan lemah digabungkan menjadi interaksi elektrolemah yang lebih mendasar. Upaya sedang dilakukan untuk menggabungkan keempat interaksi fundamental menjadi satu (yang disebut grand unified theory).

Seluruh variasi gaya yang memanifestasikan dirinya di alam, pada prinsipnya, dapat direduksi menjadi empat interaksi mendasar ini. Misalnya, gesekan adalah manifestasi dari gaya elektromagnetik yang bekerja antara atom dari dua permukaan yang bersentuhan, dan prinsip eksklusi Pauli, yang mencegah atom menembus ke area masing-masing. Gaya yang dihasilkan oleh deformasi pegas, yang dijelaskan oleh hukum Hooke, juga merupakan hasil gaya elektromagnetik antara partikel dan prinsip eksklusi Pauli, yang memaksa atom kisi kristal suatu zat berada di dekat posisi kesetimbangan. .

Namun, dalam praktiknya ternyata tidak hanya tidak praktis, tetapi juga tidak mungkin sesuai dengan kondisi masalahnya, seperti pertimbangan mendetail tentang masalah aksi gaya.

gravitasi

Gravitasi ( gravitasi) - interaksi universal antara segala jenis materi. Dalam kerangka mekanika klasik dijelaskan oleh hukum gravitasi universal yang dirumuskan oleh Isaac Newton dalam karyanya "The Mathematical Principles of Natural Philosophy". Newton memperoleh besarnya percepatan Bulan mengelilingi Bumi, dengan asumsi dalam perhitungan bahwa gaya gravitasi berkurang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari benda yang tertarik. Selain itu, ia juga menemukan bahwa percepatan akibat tarikan satu benda oleh benda lain sebanding dengan perkalian massa benda-benda tersebut. Berdasarkan dua kesimpulan ini, hukum gravitasi dirumuskan: setiap partikel material tertarik satu sama lain dengan gaya yang berbanding lurus dengan hasil kali massa ( dan ) dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka:

Inilah konstanta gravitasi, yang nilainya pertama kali diperoleh dalam eksperimennya oleh Henry Cavendish. Dengan menggunakan hukum ini, seseorang dapat memperoleh rumus untuk menghitung gaya gravitasi benda dengan bentuk sewenang-wenang. Teori gravitasi Newton menggambarkan dengan baik gerak planet-planet tata surya dan banyak benda langit lainnya. Namun, itu didasarkan pada konsep aksi jarak jauh, yang bertentangan dengan teori relativitas. Oleh karena itu, teori gravitasi klasik tidak berlaku untuk menggambarkan gerakan benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, medan gravitasi benda yang sangat masif (misalnya, lubang hitam), serta medan gravitasi variabel yang diciptakan oleh menggerakkan tubuh pada jarak yang jauh dari mereka.

interaksi elektromagnetik

Medan elektrostatik (bidang muatan stasioner)

Perkembangan fisika setelah Newton dijumlahkan dengan tiga besaran utama (panjang, massa, waktu) muatan listrik berdimensi C. Namun, berdasarkan persyaratan praktik berdasarkan kemudahan pengukuran, arus listrik berdimensi I adalah sering digunakan sebagai pengganti biaya SAYA = CT − 1 . Satuan muatan adalah coulomb, dan satuan arus adalah ampere.

Karena muatan, dengan demikian, tidak ada secara independen dari benda yang membawanya, interaksi listrik benda memanifestasikan dirinya dalam bentuk gaya yang sama yang dipertimbangkan dalam mekanika, yang menyebabkan percepatan. Sebagaimana diterapkan pada interaksi elektrostatik dari dua "muatan titik" dalam ruang hampa, hukum Coulomb digunakan:

dimana adalah jarak antara muatan, dan ε 0 ≈ 8.854187817 10 −12 F/m. Dalam zat homogen (isotropik) dalam sistem ini, gaya interaksi berkurang dengan faktor ε, di mana ε adalah konstanta dielektrik medium.

Arah gaya bertepatan dengan garis yang menghubungkan muatan titik. Secara grafis, medan elektrostatik biasanya digambarkan sebagai gambar garis gaya, yang merupakan lintasan imajiner di mana partikel bermuatan tanpa massa akan bergerak. Garis-garis ini dimulai dari satu dan diakhiri dengan muatan lainnya.

Medan elektromagnetik (medan DC)

Keberadaan medan magnet dikenali pada Abad Pertengahan oleh orang Cina, yang menggunakan "batu cinta" - magnet, sebagai prototipe kompas magnet. Secara grafis, medan magnet biasanya digambarkan sebagai garis gaya tertutup, yang kerapatannya (seperti dalam kasus medan elektrostatis) menentukan intensitasnya. Secara historis, cara visual untuk memvisualisasikan medan magnet adalah serbuk besi, yang dituangkan, misalnya, pada selembar kertas yang diletakkan di atas magnet.

Jenis kekuatan turunan

Kekuatan elastis- gaya yang timbul dari deformasi tubuh dan menentang deformasi ini. Dalam kasus deformasi elastis, itu potensial. Gaya elastis memiliki sifat elektromagnetik, menjadi manifestasi makroskopik dari interaksi antarmolekul. Gaya elastis diarahkan berlawanan dengan perpindahan, tegak lurus terhadap permukaan. Vektor gaya berlawanan dengan arah perpindahan molekul.

Gaya gesek- gaya yang timbul dari gerakan relatif benda padat dan menentang gerakan ini. Mengacu pada kekuatan disipatif. Gaya gesekan memiliki sifat elektromagnetik, menjadi manifestasi makroskopik dari interaksi antarmolekul. Vektor gaya gesekan diarahkan berlawanan dengan vektor kecepatan.

Kekuatan resistensi sedang- gaya yang timbul dari pergerakan benda padat dalam media cair atau gas. Mengacu pada kekuatan disipatif. Gaya resistensi memiliki sifat elektromagnetik, menjadi manifestasi makroskopis dari interaksi antarmolekul. Vektor gaya resistansi diarahkan berlawanan dengan vektor kecepatan.

Kekuatan reaksi dukungan normal- gaya elastis yang bekerja dari sisi penyangga pada tubuh. Diarahkan tegak lurus ke permukaan pendukung.

Gaya tegangan permukaan- gaya yang timbul pada permukaan bagian fase. Ini memiliki sifat elektromagnetik, menjadi manifestasi makroskopik dari interaksi antarmolekul. Gaya tegangan diarahkan secara tangensial ke antarmuka; muncul karena tarikan molekul yang tidak terkompensasi yang terletak di batas fase oleh molekul yang tidak terletak di batas fase.

Tekanan osmotik

pasukan Van der Waals- gaya antarmolekul elektromagnetik yang timbul dari polarisasi molekul dan pembentukan dipol. Gaya Van der Waals berkurang dengan cepat dengan bertambahnya jarak.

kekuatan inersia adalah gaya fiktif yang diperkenalkan dalam kerangka referensi non-inersia untuk memenuhi hukum kedua Newton di dalamnya. Secara khusus, dalam kerangka acuan yang terkait dengan benda yang dipercepat secara seragam, gaya inersia diarahkan berlawanan dengan percepatan. Dari gaya inersia total, gaya sentrifugal dan gaya Coriolis dapat dibedakan untuk kenyamanan.

Yg dihasilkan

Saat menghitung percepatan suatu benda, semua gaya yang bekerja padanya digantikan oleh satu gaya, yang disebut resultan. Ini adalah jumlah geometris dari semua gaya yang bekerja pada tubuh. Dalam hal ini, aksi masing-masing gaya tidak bergantung pada aksi gaya lain, yaitu, masing-masing gaya memberikan percepatan pada benda yang akan diberikan tanpa adanya aksi gaya lain. Pernyataan ini disebut prinsip independensi aksi kekuatan (prinsip superposisi).

Lihat juga

Sumber

• Grigoriev V.I., Myakishev G.Ya.- “Kekuatan di alam”
• Landau, L.D., Lifshitz, E.M. Mekanika - edisi ke-5, stereotip. - M .: Fizmatlit, 2004. - 224 hal. - ("Fisika Teoretis", Volume I). - .

Catatan

1. Glosarium. Observatorium Bumi. NASA. - "Gaya - faktor eksternal apa pun yang menyebabkan perubahan gerakan benda bebas atau terjadinya tekanan internal pada benda tetap."(Bahasa inggris)
2. Bronstein I. N. Semendyaev K. A. Handbook matematika. M .: Penerbit "Nauka" Edisi referensi literatur fisika dan matematika. 1964.

Ada empat jenis gaya di alam: gravitasi, elektromagnetik, nuklir, dan lemah.

gaya gravitasi, atau gaya gravitasi, beroperasi di antara semua badan. Tetapi gaya-gaya ini terlihat jika setidaknya salah satu benda memiliki dimensi yang sepadan dengan dimensi planet. Gaya tarik-menarik antara benda-benda biasa sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Oleh karena itu, gaya gravitasi dapat dianggap sebagai gaya interaksi antar planet, serta antara planet dan Matahari atau benda lain yang memiliki massa sangat besar. Ini bisa berupa bintang, satelit planet, dll.

Gaya elektromagnetik bertindak antara benda-benda yang memiliki muatan listrik.

kekuatan nuklir(kuat) adalah yang paling kuat di alam. Mereka bekerja di dalam inti atom pada jarak 10 -13 cm.

Kekuatan Lemah, seperti nuklir, bertindak pada jarak kecil sekitar 10 -15 cm Sebagai hasil dari aksinya, proses terjadi di dalam nukleus.

Mekanika mempertimbangkan gaya gravitasi, gaya elastis, dan gaya gesek.

Gaya gravitasi

Gravitasi dijelaskan hukum gravitasi universal. Hukum ini dulu diuraikan oleh Newton di tengah XVII V . dalam Prinsip Matematika Filsafat Alam.

Gravitasidisebut gaya gravitasi yang dengannya setiap partikel material tertarik satu sama lain.

Gaya tarik-menarik partikel material satu sama lain berbanding lurus dengan produk massanya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka. .

G - konstanta gravitasi, secara numerik sama dengan modulus gaya gravitasi yang dengannya benda yang memiliki satuan massa bekerja pada benda yang memiliki satuan massa yang sama dan terletak pada jarak satuan darinya.

G \u003d 6.67384 (80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1, atau N m² kg −2.

Di permukaan bumi, gaya gravitasi (gaya gravitasi) memanifestasikan dirinya dalam bentuk gravitasi.

Kami melihat bahwa benda apa pun yang dilemparkan ke arah horizontal tetap jatuh. Setiap benda yang dilempar ke atas juga akan jatuh. Hal ini disebabkan oleh gaya gravitasi yang bekerja pada setiap benda material yang terletak di dekat permukaan bumi. Gravitasi bekerja pada benda dan permukaan benda astronomi lainnya. Gaya ini selalu diarahkan vertikal ke bawah.

Di bawah pengaruh gravitasi, benda bergerak ke permukaan planet dengan percepatan yang disebut percepatan jatuh bebas.

Percepatan jatuh bebas di permukaan bumi dilambangkan dengan huruf G .

F t = mg ,

karena itu,

G = F t / M

G \u003d 9,81 m / s 2 di kutub Bumi, dan di ekuator G \u003d 9,78 m / s 2.

Saat memecahkan masalah fisik sederhana, kuantitas G itu dianggap sama dengan 9,8 m / s 2.

Teori gravitasi klasik hanya berlaku untuk benda dengan kecepatan yang jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya.

kekuatan elastis

Kekuatan elastisitas disebut gaya yang timbul pada benda sebagai akibat deformasi, menyebabkan perubahan bentuk atau volumenya. Kekuatan ini selalu berusaha mengembalikan tubuh ke posisi semula.

Selama deformasi, partikel-partikel tubuh dipindahkan. Gaya elastis diarahkan ke arah yang berlawanan dengan arah perpindahan partikel. Jika deformasi berhenti, gaya elastis menghilang.

Fisikawan Inggris Robert Hooke, sezaman dengan Newton, menemukan hukum yang menetapkan hubungan antara gaya elastisitas dan deformasi benda.

Ketika benda dideformasi, timbul gaya elastis, yang berbanding lurus dengan pemanjangan benda, dan memiliki arah yang berlawanan dengan pergerakan partikel selama deformasi.

F = k ∆ l ,

Di mana Ke adalah kekakuan benda, atau koefisien elastisitas;

∆ l - jumlah deformasi, menunjukkan jumlah pemanjangan tubuh di bawah pengaruh gaya elastis.

Hukum Hooke berlaku untuk deformasi elastis ketika perpanjangan benda kecil, dan benda mengembalikan dimensi aslinya setelah gaya yang menyebabkan deformasi ini hilang.

Jika deformasi besar dan benda tidak kembali ke bentuk semula, hukum Hooke tidak berlaku. Pada deformasi yang sangat besar, kehancuran tubuh terjadi.

Gaya gesekan

Gesekan terjadi ketika satu benda bergerak di atas permukaan benda lain. Ia memiliki sifat elektromagnetik. Ini adalah konsekuensi dari interaksi antara atom dan molekul benda yang berdampingan. Arah gaya gesekan berlawanan dengan arah gerak.

Membedakan kering Dan cairan gesekan. Gesekan disebut kering jika tidak ada lapisan cair atau gas di antara benda-benda tersebut.

Ciri khas gesekan kering adalah gesekan statis, yang terjadi saat benda relatif diam.

Nilai gaya gesekan statis selalu sama dengan besarnya gaya eksternal dan diarahkan ke arah yang berlawanan. Gaya gesekan statis mencegah benda bergerak.

Pada gilirannya, gesekan kering dibagi menjadi gesekan tergelincir dan gesekan bergulir.

Jika besarnya gaya eksternal melebihi besarnya gaya gesekan, maka dalam hal ini selip akan muncul, dan salah satu benda yang bersentuhan akan mulai bergerak maju relatif terhadap benda lainnya. Dan gaya gesekan akan dipanggil gaya gesekan geser. Arahnya akan berlawanan dengan arah geser.

Gaya gesekan geser bergantung pada gaya yang digunakan benda untuk saling menekan, pada keadaan permukaan yang bergesekan, pada kecepatan gerakan, tetapi tidak bergantung pada bidang kontak.

Gaya gesek geser satu benda pada permukaan benda lain dihitung dengan rumus:

F tr. = k N ,

Di mana k- koefisien gesekan geser;

N adalah gaya reaksi normal yang bekerja pada tubuh dari sisi permukaan.

Gaya gesekan bergulir terjadi antara benda yang berguling di atas permukaan dan permukaan itu sendiri. Gaya seperti itu muncul, misalnya saat ban mobil bersentuhan dengan permukaan jalan.

Nilai gaya gesek guling dihitung dengan rumus

Di mana F t - gaya gesekan bergulir;

F adalah koefisien gesekan guling;

R adalah jari-jari badan yang menggelinding;

N - kekuatan menekan.

hukum Newton

hukum I Newton

Ada sistem referensi seperti itu, yang disebut inersia, sehubungan dengan benda yang menjaga kecepatannya tidak berubah, jika tidak terpengaruh oleh benda lain atau aksi gaya lain dikompensasi.

hukum II Newton

Percepatan benda berbanding lurus dengan resultan gaya yang diterapkan pada benda dan berbanding terbalik dengan massanya:

hukum ketiga Newton

Gaya-gaya yang bekerja pada dua benda satu sama lain sama besarnya dan berlawanan arah.

Tipe paksa

Kekuatan elastisitas disebut gaya yang terjadi pada benda ketika bentuk atau ukurannya berubah. Ini terjadi jika tubuh dikompresi, diregangkan, ditekuk atau dipelintir. Misalnya, gaya elastis muncul pada pegas sebagai akibat dari kompresinya dan bekerja pada batu bata.
Gaya elastis selalu diarahkan berlawanan dengan gaya yang menyebabkan perubahan bentuk atau ukuran benda. Dalam contoh kita, batu bata yang tumbang menekan pegas, yaitu, bekerja padanya dengan gaya ke bawah. Akibatnya, gaya elastis muncul pada pegas, diarahkan ke arah yang berlawanan, yaitu ke atas. Kami dapat mengkonfirmasi ini dengan mengamati pantulan batu bata.

Hukum Hooke: gaya elastis yang timbul pada benda yang terdeformasi berbanding lurus dengan vektor deformasi dan berlawanan arah.
di mana k adalah koefisien elastisitas, L adalah nilai deformasi elastis.

gravitasi sebut kekuatan yang dengannya semua benda di dunia tertarik satu sama lain (lihat § 2-a). Variasi gaya gravitasi adalah gaya gravitasi - gaya yang membuat benda yang terletak di dekat planet tertarik padanya. Misalnya, roket yang berdiri di Mars juga dipengaruhi oleh gravitasi.

Gravitasi selalu diarahkan ke pusat planet. Gambar tersebut menunjukkan bahwa Bumi menarik anak laki-laki dan bola dengan gaya yang diarahkan ke bawah, yaitu menuju pusat planet. Seperti yang Anda lihat, arah "turun" berbeda untuk berbagai tempat di planet ini. Ini juga berlaku untuk planet lain dan benda kosmik. Kita akan mempelajari gaya gravitasi lebih detail di § 3-d.

Oleh kekuatan gesekan disebut gaya yang mencegah satu benda tergelincir di permukaan benda lain. Pertimbangkan gambarnya. Pengereman mobil secara tiba-tiba selalu dibarengi dengan "deritan rem". Suara ini disebabkan oleh ban yang tergelincir di trotoar. Dalam hal ini, ban terhapus dengan kuat, karena gaya gesekan bekerja antara roda dan jalan, mencegah selip.
Gaya gesekan selalu diarahkan berlawanan dengan arah (kemungkinan) meluncurnya benda yang ditinjau di atas permukaan benda lain. Misalnya, saat mobil mengerem tajam, rodanya tergelincir ke depan, artinya gaya gesek yang bekerja padanya di jalan diarahkan ke arah yang berlawanan, yaitu ke belakang.
Gaya gesekan muncul tidak hanya ketika satu benda meluncur di atas permukaan benda lain. Ada juga gaya gesekan statis. Misalnya, mendorong keluar jalan dengan sepatu bot, kami tidak mengamati selipnya. Dalam hal ini, gaya gesekan statis muncul, yang karenanya kita bergerak maju. Dengan tidak adanya kekuatan ini, kami tidak akan dapat mengambil langkah, seperti misalnya di atas es.

Dengan kekuatan Archimedes(atau gaya apung) adalah gaya yang digunakan cairan atau gas pada benda yang terbenam di dalamnya - mereka mendorongnya keluar. Gambar tersebut menunjukkan bahwa air bekerja pada gelembung udara yang dihembuskan oleh ikan - mendorongnya ke permukaan. Air juga bekerja pada ikan dan batu - ini mengurangi beratnya (kekuatan yang menekan batu di bagian bawah).

Kekuatan perlawanan. Gaya yang bekerja pada benda selama gerak translasinya dalam cairan atau gas disebut gaya hambat.
Gaya resistensi tergantung pada kecepatan tubuh relatif terhadap lingkungan eksternal dan diarahkan berlawanan dengan vektor kecepatan tubuh.
di mana k adalah koefisien proporsionalitas, bergantung pada kecepatan benda relatif terhadap medium, V adalah modulus kecepatan benda relatif terhadap medium.

Kekuatan tarikan gravitasi.
Interaksi gravitasi antar benda dilakukan melalui medan gravitasi.
Gaya gravitasi diarahkan sepanjang satu garis lurus yang menghubungkan titik-titik yang berinteraksi, mis. adalah kekuatan sentral.

Hukum gravitasi:
Di antara dua titik material terdapat gaya tarik-menarik timbal balik yang sebanding dengan produk massa titik, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya.
dimana G = 6,67 10^-11 (N m^2) / kg^2 - konstanta gravitasi, m1, m2 - massa gravitasi titik material, R - jarak antara titik material.
Hukum gravitasi universal juga berlaku untuk benda bulat homogen. Dalam hal ini, R adalah jarak antara pusat gravitasi benda.

Semua proses di sekitar kita terjadi sebagai akibat dari aksi satu atau beberapa kekuatan fisik. Dengan perwujudannya, seseorang bertemu di mana-mana, dimulai dengan fakta bahwa ia harus mengerahkan tenaga untuk bangun dari tempat tidur di pagi hari, dan diakhiri dengan pergerakan benda-benda luar angkasa yang masif. Artikel ini dikhususkan untuk pertanyaan tentang apa itu gaya dalam fisika, dan jenis apa yang ada.

Konsep kekuatan

Pertanyaan tentang apa itu gaya dalam fisika, kita mulai pertimbangkan dengan definisinya. Di bawahnya, diasumsikan suatu besaran yang dapat mengubah momentum benda yang bersangkutan. Ekspresi matematis untuk definisi ini terlihat seperti ini:

Di sini dp¯ adalah perubahan momentum (selain itu disebut momentum), dt adalah periode waktu perubahannya. Ini menunjukkan bahwa F¯ (gaya) adalah vektor, yaitu untuk menentukannya, Anda perlu mengetahui modul (nilai absolut) dan arah penerapannya.

Seperti yang Anda ketahui, momentum diukur dalam kg * m / s. Ini berarti bahwa F¯ dihitung dalam kg*m/s 2 . Satuan pengukuran ini disebut newton (N) dalam SI. Karena satuan m / s 2 adalah ukuran percepatan linier dalam mekanika klasik, maka hukum ke-2 Isaac Newton secara otomatis mengikuti definisi gaya:

Dalam rumus seperti itu, a¯ = dv¯/dt adalah percepatan.

Rumus gaya dalam fisika ini menunjukkan bahwa dalam mekanika Newton, besaran F¯ dicirikan oleh percepatan yang dapat diberikannya pada benda bermassa m.

Klasifikasi jenis kekuatan

Topik gaya dalam fisika cukup luas, dan setelah dipertimbangkan secara mendetail, hal itu memengaruhi konsep dasar struktur materi dan proses yang terjadi di Alam Semesta. Dalam artikel ini, kami tidak akan mempertimbangkan konsep gaya relativistik (proses yang terjadi pada kecepatan mendekati cahaya) dan gaya dalam mekanika kuantum, tetapi kami akan membatasi diri pada deskripsinya untuk objek makroskopik, yang geraknya ditentukan oleh hukum mekanika klasik.

Jadi, berdasarkan pengamatan sehari-hari terhadap proses dalam kehidupan dan alam sehari-hari, jenis-jenis gaya berikut dapat dibedakan:

• gravitasi (gravitasi);
• dampak dukungan;
• gesekan;
• ketegangan;
• elastisitas;
• pengembalian.

Membuka pertanyaan tentang apa itu gaya dalam fisika, kami akan mempertimbangkan masing-masing jenis ini secara lebih rinci.

gravitasi universal Newton

Dalam fisika, aksi gravitasi dimanifestasikan dalam tarikan dua benda dengan massa terbatas. Gaya gravitasi agak lemah jika dibandingkan dengan interaksi listrik atau nuklir. Itu memanifestasikan dirinya dalam skala kosmik (pergerakan planet, bintang, galaksi).

Pada abad ke-17, Isaac Newton, yang mempelajari pergerakan planet-planet mengelilingi Matahari, sampai pada perumusan hukum yang disebut gravitasi universal. Dalam fisika, rumus gaya gravitasi ditulis sebagai berikut:

Penentuan eksperimental nilai G baru dibuat pada akhir abad ke-18 oleh Henry Cavendish, yang menggunakan keseimbangan torsi dalam eksperimennya. Eksperimen ini memungkinkan untuk menentukan massa planet kita.

Pada rumus di atas, jika salah satu bendanya adalah Bumi kita, maka gaya gravitasi benda yang terletak di dekat permukaan bumi akan sama dengan:

F \u003d G * M * m / R 2 \u003d m * g,

dimana g \u003d G * M / R 2

Di sini M adalah massa planet, R adalah jari-jarinya (jarak antara benda dan pusat bumi kira-kira sama dengan jari-jari yang terakhir). Ungkapan terakhir merupakan representasi matematis dari besaran, yang biasa disebut dengan berat benda, yaitu:

Ungkapan tersebut menunjukkan bahwa dalam fisika gravitasi setara dengan berat benda. Nilai P diukur dengan mengetahui gaya resistansi dari penyangga tempat benda tersebut berada.

Mendukung reaksi permukaan

Mengapa orang, rumah, dan benda lain tidak jatuh ke tanah? Mengapa buku yang diletakkan di atas meja tidak jatuh? Fakta-fakta ini dan lainnya dijelaskan dengan adanya gaya reaksi pendukung, yang sering dilambangkan dengan huruf N. Dari namanya sudah jelas bahwa itu adalah karakteristik dari dampak pada tubuh permukaan tempat ia berada. terletak.

Berdasarkan fakta kesetimbangan yang dicatat, kita dapat menulis ungkapan:

(untuk posisi tubuh horizontal)

Artinya, gaya pendukung sama nilainya dengan berat benda jika berada pada permukaan horizontal, dan berlawanan arah. Jika benda terletak pada bidang miring, maka perhitungan N sudah dilakukan dengan menggunakan fungsi trigonometri (sin (x) atau cos (x)), karena P selalu diarahkan ke pusat bumi (turun), dan N diarahkan tegak lurus bidang permukaan (atas).

Memahami penyebab gaya N berada di luar cakupan mekanika klasik. Singkatnya, katakanlah itu adalah konsekuensi langsung dari apa yang disebut prinsip eksklusi Pauli. Menurutnya, dua elektron tidak bisa berada dalam keadaan yang sama. Fakta ini mengarah pada fakta bahwa jika dua atom disatukan, meskipun 99% kosong, kulit elektron tidak dapat saling menembus, dan tolakan yang kuat muncul di antara keduanya.

Gaya gesek

Dalam fisika, jenis aksi gaya ini tidak kalah seringnya dengan yang dibahas di atas. Gesekan terjadi setiap kali suatu benda mulai bergerak. Secara umum, dalam fisika, gaya gesek biasanya dikaitkan dengan salah satu dari 3 jenis:

• istirahat;
• tergelincir;
• bergulir.

Dua tipe pertama dijelaskan oleh ekspresi berikut:

Di sini μ adalah koefisien gesekan, yang nilainya bergantung pada jenis gaya (diam atau gesekan) dan pada bahan permukaan gesekan.

Gesekan bergulir, contoh utamanya adalah roda yang bergerak, dihitung menggunakan rumus:

Di sini R adalah jari-jari roda, f adalah koefisien yang berbeda dari μ tidak hanya dalam nilai, tetapi juga dalam dimensi (μ tidak berdimensi, f diukur dalam satuan panjang).

Setiap jenis gaya gesek selalu diarahkan terhadap gerakan, berbanding lurus dengan gaya N dan tidak bergantung pada bidang kontak antar permukaan.

Alasan munculnya gesekan antara dua permukaan adalah adanya mikroheterogenitas pada keduanya, yang mengarah ke "pertunangan" seperti kait kecil. Penjelasan sederhana ini merupakan perkiraan yang cukup baik dari proses nyata, yang jauh lebih kompleks, dan untuk pemahaman mendalam melibatkan pertimbangan interaksi pada skala atom.

Rumus di atas mengacu pada gesekan benda padat. Dalam kasus zat cair (cair dan gas), gesekan juga ada, hanya saja ternyata sudah sebanding dengan kecepatan benda (kuadrat kecepatan untuk gerakan cepat).

Kekuatan ketegangan

Apa yang dimaksud dengan gaya dalam fisika ketika mempertimbangkan pergerakan barang menggunakan tali, tali, dan kabel? Ini disebut kekuatan ketegangan. Biasanya dilambangkan dengan huruf T (lihat gambar di atas).

Saat mempertimbangkan masalah dalam fisika tentang gaya tegangan, mekanisme sederhana seperti balok sering muncul di dalamnya. Ini memungkinkan Anda untuk mengarahkan gaya akting T. Desain blok khusus memberikan keuntungan dalam gaya yang diterapkan untuk mengangkat beban.

Fenomena elastisitas

Jika deformasi benda padat kecil (hingga 1%), maka setelah penerapan gaya eksternal, deformasi tersebut hilang sama sekali. Selama proses ini, deformasi berhasil, menciptakan apa yang disebut gaya elastis. Untuk pegas, nilai ini dijelaskan oleh hukum Hooke. Rumus yang sesuai terlihat seperti:

Di sini x adalah perpindahan pegas dari keadaan setimbangnya (deformasi absolut), k adalah koefisiennya. Tanda minus pada ekspresi menunjukkan bahwa gaya elastis diarahkan terhadap deformasi apa pun (ketegangan dan kompresi), yaitu berusaha mengembalikan posisi keseimbangan.

Alasan fisik munculnya gaya elastis dan tegangan adalah sama, terdiri dari munculnya gaya tarik atau tolak antara atom-atom suatu zat ketika jarak kesetimbangan di antara mereka berubah.

Semua orang tahu bahwa saat menembak dari senjata api apa pun, yang disebut mundur terjadi. Itu memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa popor senjata mengenai bahu penembak, dan tank atau senjata berguling kembali ketika proyektil terbang keluar dari moncongnya. Semua ini adalah manifestasi dari kekuatan penganugerahan. Rumusnya mirip dengan yang diberikan di awal artikel saat mendefinisikan konsep "gaya".

Seperti yang bisa Anda tebak, penyebab munculnya gaya mundur adalah manifestasi dari hukum kekekalan momentum sistem. Jadi, peluru yang terbang keluar dari moncong senjata membawa momentum yang tepat dengan pantat yang mengenai bahu penembak, sebagai akibatnya, momentum total tetap konstan (sama dengan nol untuk sistem yang relatif istirahat).

Ada sejumlah hukum yang mencirikan proses fisik selama gerakan mekanis tubuh.

Hukum dasar gaya berikut dalam fisika dibedakan:

• hukum gravitasi;
• hukum gravitasi universal;
• hukum gaya gesek;
• hukum kekuatan elastisitas;
• hukum Newton.

hukum gravitasi

Catatan 1

Gravitasi adalah salah satu manifestasi dari aksi gaya gravitasi.

Gravitasi direpresentasikan sebagai gaya yang bekerja pada benda dari sisi planet dan memberinya percepatan jatuh bebas.

Jatuh bebas dapat dianggap dalam bentuk $mg = G\frac(mM)(r^2)$, dari mana kita memperoleh rumus percepatan jatuh bebas:

$g = G\frac(M)(r^2)$.

Rumus untuk menentukan gravitasi akan terlihat seperti ini:

$(\overline(F))_g = m\overline(g)$

Gravitasi memiliki vektor propagasi tertentu. Itu selalu diarahkan secara vertikal ke bawah, yaitu menuju pusat planet. Gaya gravitasi bekerja pada tubuh secara konstan dan ini berarti ia jatuh bebas.

Lintasan gerak di bawah aksi gravitasi tergantung pada:

• modul kecepatan awal benda;
• arah kecepatan tubuh.

Manusia menghadapi fenomena fisik ini setiap hari.

Gaya gravitasi juga dapat direpresentasikan sebagai rumus $P = mg$. Saat mempercepat jatuh bebas, jumlah tambahan juga diperhitungkan.

Jika kita mempertimbangkan hukum gravitasi universal yang dirumuskan oleh Isaac Newton, semua benda memiliki massa tertentu. Mereka tertarik satu sama lain dengan kekuatan. Ini akan disebut gaya gravitasi.

$F = G\frac(m_1m_2)(r^2)$

Gaya ini berbanding lurus dengan perkalian massa kedua benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya.

$G = 6.7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, di mana $G$ adalah konstanta gravitasi dan memiliki pengukuran sistem internasional SI nilai konstan.

Definisi 1

Berat adalah gaya yang digunakan benda di permukaan planet setelah munculnya gravitasi.

Dalam kasus di mana benda diam atau bergerak secara seragam pada permukaan horizontal, maka bobotnya akan sama dengan gaya reaksi penyangga dan nilainya bertepatan dengan besarnya gaya gravitasi:

Dengan gerak vertikal yang dipercepat secara seragam, berat akan berbeda dari gaya gravitasi, berdasarkan vektor percepatan. Ketika vektor percepatan diarahkan ke arah yang berlawanan, terjadi kondisi beban berlebih. Jika benda bersama dengan penyangga bergerak dengan percepatan $a = g$, maka bobotnya akan sama dengan nol. Keadaan tanpa bobot disebut tanpa bobot.

Kekuatan medan gravitasi dihitung sebagai berikut:

$g = \frac(F)(m)$

Nilai $F$ adalah gaya gravitasi yang bekerja pada titik material dengan massa $m$.

Tubuh ditempatkan pada titik tertentu di lapangan.

Energi potensial dari interaksi gravitasi dua titik material dengan massa $m_1$ dan $m_2$ harus berada pada jarak $r$ satu sama lain.

Potensi medan gravitasi dapat ditemukan dengan rumus:

$\varphi = \Pi / m$

Di sini $P$ adalah energi potensial dari titik material dengan massa $m$. Itu ditempatkan pada titik tertentu di lapangan.

Hukum gaya gesekan

Komentar 2

Gaya gesekan muncul selama gerakan dan diarahkan melawan geseran tubuh.

Gaya gesekan statis akan sebanding dengan reaksi normal. Gaya gesek statis tidak bergantung pada bentuk dan ukuran permukaan yang bergesekan. Koefisien gesekan statis tergantung pada bahan benda yang bersentuhan dan menghasilkan gaya gesekan. Namun, hukum gesekan tidak dapat disebut stabil dan akurat, karena berbagai penyimpangan sering diamati dalam hasil penelitian.

Penulisan tradisional gaya gesekan melibatkan penggunaan koefisien gesekan ($\eta$), $N$ adalah gaya tekanan normal.

Ada juga gaya gesek eksternal, gaya gesek guling, gaya gesek geser, gaya gesek kental dan jenis gesekan lainnya.

Hukum kekuatan elastis

Gaya elastis sama dengan kekakuan benda, yang dikalikan dengan jumlah deformasi:

$F = k \cdot \Delta l$

Dalam rumus gaya klasik kami untuk menemukan gaya elastis, tempat utama ditempati oleh kekakuan benda ($k$) dan deformasi benda ($\Delta l$). Satuan gaya adalah newton (N).

Rumus seperti itu dapat menggambarkan kasus deformasi yang paling sederhana. Ini disebut hukum Hooke. Dikatakan bahwa ketika Anda mencoba mengubah bentuk benda dengan cara apa pun yang memungkinkan, gaya elastis akan cenderung mengembalikan bentuk benda ke bentuk aslinya.

Untuk memahami dan mendeskripsikan fenomena fisik secara akurat, konsep tambahan diperkenalkan. Koefisien elastisitas menunjukkan ketergantungan pada:

• sifat material;
• ukuran batang.

Secara khusus, ketergantungan pada dimensi batang atau luas penampang dan panjang dibedakan. Maka koefisien elastisitas benda ditulis sebagai:

$k = \frac(ES)(L)$

Dalam rumus seperti itu, kuantitas $E$ adalah modulus elastisitas jenis pertama. Ini juga disebut modulus Young. Ini mencerminkan karakteristik mekanis dari bahan tertentu.

Saat menghitung batang lurus, hukum Hooke digunakan dalam bentuk relatif:

$\Delta l = \frac(FL)(ES)$

Perlu dicatat bahwa penerapan hukum Hooke hanya akan efektif untuk deformasi yang relatif kecil. Jika tingkat batas proporsionalitas terlampaui, maka hubungan antara regangan dan tegangan menjadi tidak linier. Untuk beberapa media, hukum Hooke tidak dapat diterapkan bahkan dengan deformasi kecil.