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A força como uma grandeza vetorial é caracterizada módulo , direção e "ponto" da aplicação força. Pelo último parâmetro, o conceito de força como vetor na física difere do conceito de vetor na álgebra vetorial, onde vetores iguais em valor absoluto e direção, independente do ponto de sua aplicação, são considerados o mesmo vetor. Na física, esses vetores são chamados de vetores livres. Na mecânica, o conceito de vetores vinculados é extremamente comum, cujo início é fixado em um determinado ponto do espaço ou pode estar em uma linha que continua na direção do vetor (vetores deslizantes ). .

O conceito também é usado linha de força, denotando a linha reta que passa pelo ponto de aplicação da força, ao longo do qual a força é direcionada.

A dimensão da força é LMT −2, a unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades (SI) é newton (N, N), no sistema CGS - dina.

História do conceito

O conceito de força foi usado por cientistas da antiguidade em seus trabalhos sobre estática e movimento. Ele estava envolvido no estudo de forças no processo de projetar mecanismos simples no século III. BC e. Arquimedes. As ideias de poder de Aristóteles, associadas a inconsistências fundamentais, duraram vários séculos. Essas inconsistências foram eliminadas no século XVII. Isaac Newton usando métodos matemáticos para descrever a força. A mecânica newtoniana permaneceu geralmente aceita por quase trezentos anos. Até o início do século XX. Albert Einstein na teoria da relatividade mostrou que a mecânica newtoniana está correta apenas em velocidades e massas relativamente baixas de corpos no sistema, esclarecendo assim as provisões básicas de cinemática e dinâmica e descrevendo algumas novas propriedades do espaço-tempo.

mecânica newtoniana

Isaac Newton começou a descrever o movimento de objetos usando os conceitos de inércia e força. Feito isso, ele estabeleceu ao longo do caminho que qualquer movimento mecânico está sujeito a leis gerais de conservação. Em Mr. Newton publicou sua famosa obra "", na qual delineou as três leis fundamentais da mecânica clássica (as famosas leis de Newton).

A primeira lei de Newton

Por exemplo, as leis da mecânica são exatamente as mesmas na traseira de um caminhão quando ele está dirigindo em uma seção reta da estrada a uma velocidade constante e quando está parado. Uma pessoa pode lançar uma bola verticalmente para cima e pegá-la depois de algum tempo no mesmo lugar, independentemente de o caminhão estar se movendo de maneira uniforme e retilínea ou em repouso. Para ele, a bola voa em linha reta. No entanto, para um observador externo no solo, a trajetória da bola parece uma parábola. Isso se deve ao fato de que a bola se move em relação ao solo durante o vôo não apenas na vertical, mas também na horizontal por inércia na direção do caminhão. Para uma pessoa na traseira de um caminhão, não importa se este está se movendo ao longo da estrada ou se o mundo ao redor está se movendo a uma velocidade constante na direção oposta, e o caminhão está parado. Assim, o estado de repouso e o movimento retilíneo uniforme são fisicamente indistinguíveis um do outro.

segunda lei de newton

Por definição de momento:

onde é a massa, é a velocidade.

Se a massa de um ponto material permanece inalterada, então a derivada temporal da massa é zero, e a equação se torna:

Terceira lei de Newton

Para quaisquer dois corpos (vamos chamá-los de corpo 1 e corpo 2), a terceira lei de Newton afirma que a força da ação do corpo 1 sobre o corpo 2 é acompanhada pelo aparecimento de uma força igual em valor absoluto, mas oposta em direção, agindo no corpo 1 do corpo 2. Matematicamente, a lei é escrita assim:

Esta lei significa que as forças sempre surgem em pares ação-reação. Se o corpo 1 e o corpo 2 estão no mesmo sistema, então a força total no sistema devido à interação desses corpos é zero:

Isso significa que não há forças internas desequilibradas em um sistema fechado. Isso leva ao fato de que o centro de massa de um sistema fechado (ou seja, aquele que não é afetado por forças externas) não pode se mover com aceleração. Partes separadas do sistema podem acelerar, mas apenas de forma que o sistema como um todo permaneça em estado de repouso ou movimento retilíneo uniforme. No entanto, se forças externas agirem sobre o sistema, seu centro de massa começará a se mover com uma aceleração proporcional à força externa resultante e inversamente proporcional à massa do sistema.

Interações Fundamentais

Todas as forças na natureza são baseadas em quatro tipos de interações fundamentais. A velocidade máxima de propagação de todos os tipos de interação é igual à velocidade da luz no vácuo. As forças eletromagnéticas atuam entre corpos eletricamente carregados, as forças gravitacionais atuam entre objetos massivos. O forte e o fraco aparecem apenas a distâncias muito pequenas e são responsáveis ​​pela interação entre as partículas subatômicas, incluindo os núcleons que compõem os núcleos atômicos.

A intensidade das interações fortes e fracas é medida em unidades de energia(elétron-volts), não unidades de força, e, portanto, a aplicação do termo “força” a eles é explicada pela tradição tomada desde a antiguidade de explicar quaisquer fenômenos do mundo circundante pela ação de “forças” específicas de cada fenômeno.

O conceito de força não pode ser aplicado aos fenômenos do mundo subatômico. Este é um conceito do arsenal da física clássica, associado (mesmo que apenas subconscientemente) às ideias newtonianas sobre forças atuando à distância. Na física subatômica, essas forças não existem mais: elas são substituídas por interações entre partículas que ocorrem através de campos, ou seja, algumas outras partículas. Portanto, os físicos de alta energia evitam usar a palavra força, substituindo-o pela palavra interação.

Cada tipo de interação é devido à troca dos correspondentes portadores de interação: gravitacional - a troca de grávitons (a existência não foi confirmada experimentalmente), eletromagnética - fótons virtuais, fracos - bósons vetoriais, fortes - glúons (e a grandes distâncias - mésons). Atualmente, as interações eletromagnética e fraca são fundidas na interação eletrofraca mais fundamental. Estão sendo feitas tentativas para combinar todas as quatro interações fundamentais em uma (a chamada grande teoria unificada).

Toda a variedade de forças que se manifestam na natureza pode, em princípio, ser reduzida a essas quatro interações fundamentais. Por exemplo, o atrito é uma manifestação de forças eletromagnéticas que atuam entre átomos de duas superfícies em contato, e o princípio de exclusão de Pauli, que impede que os átomos penetrem na área um do outro. A força que ocorre quando uma mola se deforma, descrita pela lei de Hooke, também é resultado de forças eletromagnéticas entre partículas e o princípio de exclusão de Pauli, forçando os átomos da rede cristalina de uma substância a serem mantidos próximos de uma posição de equilíbrio. .

No entanto, na prática, não é apenas inconveniente, mas também simplesmente impossível, de acordo com as condições do problema, uma consideração tão detalhada da questão da ação das forças.

gravidade

Gravidade ( gravidade) - interação universal entre qualquer tipo de matéria. No âmbito da mecânica clássica, ela é descrita pela lei da gravitação universal, formulada por Isaac Newton em sua obra "Os Princípios Matemáticos da Filosofia Natural". Newton obteve a magnitude da aceleração com que a Lua se move ao redor da Terra, assumindo no cálculo que a força gravitacional diminui inversamente com o quadrado da distância do corpo gravitacional. Além disso, ele também descobriu que a aceleração devido à atração de um corpo por outro é proporcional ao produto das massas desses corpos. Com base nessas duas conclusões, a lei da gravidade foi formulada: quaisquer partículas materiais são atraídas umas para as outras com uma força que é diretamente proporcional ao produto das massas ( e ) e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas:

Aqui está a constante gravitacional, cujo valor foi obtido pela primeira vez em seus experimentos por Henry Cavendish. Usando esta lei, pode-se obter fórmulas para calcular a força gravitacional de corpos de forma arbitrária. A teoria da gravitação de Newton descreve bem o movimento dos planetas do sistema solar e muitos outros corpos celestes. No entanto, baseia-se no conceito de ação de longo alcance, o que contradiz a teoria da relatividade. Portanto, a teoria clássica da gravidade não é aplicável para descrever o movimento de corpos que se movem a uma velocidade próxima à velocidade da luz, os campos gravitacionais de objetos extremamente massivos (por exemplo, buracos negros), bem como campos gravitacionais variáveis ​​criados por corpos em movimento a grandes distâncias deles.

Interação eletromagnética

Campo eletrostático (campo de cargas estacionárias)

O desenvolvimento da física após Newton adicionou às três grandezas principais (comprimento, massa, tempo) uma carga elétrica com a dimensão C. No entanto, com base nas exigências da prática baseada na conveniência da medição, uma corrente elétrica com a dimensão I foi frequentemente usado em vez de carga, e EU = CT − 1 . A unidade de carga é o coulomb e a unidade de corrente é o ampère.

Como a carga, como tal, não existe independentemente do corpo que a carrega, a interação elétrica dos corpos se manifesta na forma da mesma força considerada na mecânica, que causa a aceleração. Aplicada à interação eletrostática de duas "cargas pontuais" no vácuo, a lei de Coulomb é usada:

onde é a distância entre as cargas, e ε 0 ≈ 8,854187817 10 −12 F/m. Em uma substância homogênea (isotrópica) neste sistema, a força de interação diminui por um fator de ε, onde ε é a constante dielétrica do meio.

A direção da força coincide com a linha que liga as cargas puntiformes. Graficamente, um campo eletrostático é geralmente representado como uma imagem de linhas de força, que são trajetórias imaginárias ao longo das quais uma partícula carregada desprovida de massa se moveria. Essas linhas começam em uma e terminam nas outras cargas.

Campo eletromagnético (campo DC)

A existência de um campo magnético foi reconhecida na Idade Média pelos chineses, que usaram a "pedra amorosa" - um ímã, como protótipo de uma bússola magnética. Graficamente, o campo magnético é geralmente representado como linhas de força fechadas, cuja densidade (como no caso de um campo eletrostático) determina sua intensidade. Historicamente, uma forma visual de visualizar o campo magnético era a limalha de ferro, derramada, por exemplo, em uma folha de papel colocada sobre um ímã.

Tipos derivados de forças

Força elástica- a força decorrente da deformação do corpo e que se opõe a essa deformação. No caso de deformações elásticas, é potencial. A força elástica tem natureza eletromagnética, sendo uma manifestação macroscópica da interação intermolecular. A força elástica é direcionada oposta ao deslocamento, perpendicular à superfície. O vetor força é oposto à direção do deslocamento das moléculas.

Força de fricção- a força que surge do movimento relativo dos corpos sólidos e se opõe a esse movimento. Refere-se a forças dissipativas. A força de atrito tem natureza eletromagnética, sendo uma manifestação macroscópica da interação intermolecular. O vetor de força de atrito é direcionado em sentido oposto ao vetor de velocidade.

Força de resistência média- a força decorrente do movimento de um corpo sólido em um meio líquido ou gasoso. Refere-se a forças dissipativas. A força de resistência tem natureza eletromagnética, sendo uma manifestação macroscópica da interação intermolecular. O vetor força de resistência é direcionado em sentido oposto ao vetor velocidade.

Força de reação de suporte normal- a força elástica que atua do lado do apoio no corpo. Direcionado perpendicularmente à superfície do suporte.

Forças de tensão superficial- forças que surgem na superfície da seção de fase. Possui natureza eletromagnética, sendo uma manifestação macroscópica da interação intermolecular. A força de tração é direcionada tangencialmente à interface; surge devido à atração não compensada de moléculas localizadas no limite de fase por moléculas não localizadas no limite de fase.

Pressão osmótica

Forças de Van der Waals- forças intermoleculares eletromagnéticas decorrentes da polarização de moléculas e da formação de dipolos. As forças de Van der Waals diminuem rapidamente com o aumento da distância.

força de inérciaé uma força fictícia introduzida em referenciais não inerciais para neles cumprir a segunda lei de Newton. Em particular, no referencial associado a um corpo em movimento uniformemente acelerado, a força de inércia é direcionada oposta à aceleração. Da força de inércia total, a força centrífuga e a força de Coriolis podem ser distinguidas por conveniência.

Resultante

Ao calcular a aceleração de um corpo, todas as forças que atuam sobre ele são substituídas por uma força, chamada de resultante. Esta é a soma geométrica de todas as forças que atuam sobre o corpo. Além disso, a ação de cada força não depende da ação das outras, ou seja, cada força confere ao corpo uma aceleração tal como ela transmitiria na ausência da ação de outras forças. Essa afirmação é chamada de princípio da independência da ação das forças (princípio da superposição).

Veja também

Origens

• Grigoriev V. I., Myakishev G. Ya. - “Forças na natureza”
• Landau, L.D., Lifshitz, E.M. Mecânica - 5ª edição, estereotipada. - M.: Fizmatlit, 2004. - 224 p. - ("Física Teórica", Volume I). - .

Notas

1. Glossário. Observatório da Terra. NASA. - "Força - qualquer fator externo que provoque uma alteração no movimento de um corpo livre ou a ocorrência de tensões internas em um corpo fixo."(Inglês)
2. Bronstein I. N. Semendyaev K. A. Manual de matemática. M.: Editora "Nauka" Edição de literatura física e matemática de referência. 1964.
3. Feynman, R.P., Leighton, R.B., Sands, M. Lectures on Physics, Vol 1 - Addison-Wesley, 1963.(Inglês)

> Força

Descrição forças na física: termo e definição, leis da força, medida de unidades em Newtons, segunda lei e fórmula de Newton, diagrama do impacto da força de um objeto.

Força- qualquer ação que leve a uma mudança no objeto em movimento, direção ou estrutura geométrica.

Tarefa de aprendizagem

• Crie uma relação entre massa e aceleração.

Pontos chave

• Força é um conceito vetorial que tem magnitude e direção. Isso também se aplica à massa e à aceleração.
• Simplificando, a força atua como um empurrar ou puxar, que pode ser definido por vários padrões.
• Dinâmica é o estudo da força que faz com que objetos ou sistemas se movam e se deformem.
• As forças externas são quaisquer influências externas que afetam o corpo, enquanto as forças internas agem de dentro.

Termos

• A velocidade vetorial é a taxa de mudança de posição no tempo e na direção.
• Força é qualquer ação que faz com que um objeto mude em movimento, direção ou estrutura geométrica.
• Um vetor é uma quantidade direcionada caracterizada por magnitude e direção (entre dois pontos).

Exemplo

Para estudar os padrões de força em física, causas e resultados, use dois elásticos. Pendure um em um gancho na posição vertical. Encontre um pequeno objeto e prenda-o na ponta pendurada. Meça o alongamento resultante com vários objetos. Qual é a relação entre o número de objetos suspensos e o comprimento do trecho? O que acontecerá com o peso colado se você mover a fita com um lápis?

Forçar revisão

Na física, uma força é qualquer fenômeno que faz com que um objeto passe por mudanças no movimento, direção ou desenho geométrico. Medido em Newtons. Uma força é algo que faz com que um objeto com massa mude sua velocidade ou se deforme. A força também é descrita em termos intuitivos como "empurrar" ou "empurrar". Tem magnitude e direção (vetor).

Características

A segunda lei de Newton diz que a força resultante que age sobre um objeto é igual à taxa na qual seu momento muda. Além disso, a aceleração de um objeto é diretamente proporcional à força que atua sobre ele e está na direção da força resultante e inversamente proporcional à massa.

Lembre-se que a força é uma grandeza vetorial. Um vetor é uma matriz unidimensional com magnitude e direção. Tem massa e aceleração:

Também associados à força estão o empuxo (aumenta a velocidade de um objeto), a desaceleração (diminui a velocidade) e o torque (altera a velocidade). Forças que não são aplicadas uniformemente em todas as partes do objeto também levam ao estresse mecânico (matéria deformada). Se em um objeto sólido ele o deforma gradualmente, então em um líquido ele muda de pressão e volume.

Dinâmica

É o estudo das forças que colocam objetos e sistemas em movimento. Entendemos a força como um empurrão ou puxão definido. Eles têm magnitude e direção. Na figura, você pode ver vários exemplos do uso da força. Superior esquerdo - sistema de rolos. A força a ser aplicada ao cabo deve ser igual e superior à força gerada pela massa, pelos objetos ou pelos efeitos da gravidade. O canto superior direito mostra que qualquer objeto colocado na superfície a afetará. Abaixo está a atração dos ímãs.

1. Leis da dinâmica de Newton

as leis ou axiomas do movimento (como formulado pelo próprio Newton em seu Principia Mathematica, 1687): “I. Todo corpo continua a ser mantido em seu estado de repouso, ou movimento uniforme e retilíneo, até e na medida em que é compelido por forças aplicadas a mudar esse estado. II. A mudança no momento é proporcional à força motriz aplicada e ocorre na direção da linha reta ao longo da qual essa força atua. III. Uma ação sempre tem uma reação igual e oposta, caso contrário as interações de dois corpos entre si são iguais e direcionadas em direções opostas.

2. O que é força?

A força é caracterizada por magnitude e direção. A força caracteriza a ação de outros corpos sobre um determinado corpo. O resultado de uma força agindo sobre um corpo depende não apenas de sua magnitude e direção, mas também do ponto de aplicação da força. A resultante é uma força, cujo resultado será o mesmo que o resultado da ação de todas as forças reais. Se as forças são codirecionais, a resultante é igual à sua soma e direcionada na mesma direção. Se as forças são direcionadas em direções opostas, então a resultante é igual à sua diferença e é direcionada para a força maior.

Gravidade e peso corporal

A gravidade é a força com que um corpo é atraído para a Terra devido à gravitação universal. Todos os corpos do Universo são atraídos uns pelos outros, e quanto maior sua massa e quanto mais próximos estiverem localizados, mais forte será a atração.

Para calcular a força da gravidade, a massa do corpo deve ser multiplicada por um fator, denotado pela letra g, aproximadamente igual a 9,8 N/kg. Assim, a gravidade é calculada pela fórmula

O peso do corpo é a força com que o corpo pressiona o suporte ou estica a suspensão devido à atração pela Terra. Se o corpo não tem suporte nem suspensão, então o corpo também não tem peso - está em um estado de ausência de peso.

Força elástica

A força elástica é a força que ocorre dentro do corpo como resultado da deformação e impede a mudança de forma. Dependendo de como a forma do corpo muda, vários tipos de deformação são distinguidos, em particular, tensão e compressão, flexão, cisalhamento e cisalhamento, torção.

Quanto mais a forma do corpo é alterada, maior a força elástica que surge nele.

Dinamômetro - um dispositivo para medir a força: a força medida é comparada com a força elástica que ocorre na mola do dinamômetro.

Força de fricção

A força de atrito estático é a força que impede o movimento do corpo.

A razão para a ocorrência de atrito é que quaisquer superfícies têm irregularidades que se encaixam umas nas outras. Se as superfícies são polidas, o atrito é causado pelas forças de interação molecular. Quando um corpo se move sobre uma superfície horizontal, a força de atrito é direcionada contra o movimento e é diretamente proporcional à força da gravidade:

A força de atrito deslizante é a força de resistência quando um corpo desliza sobre a superfície de outro. A força de atrito de rolamento é a força de arrasto quando um corpo rola sobre a superfície de outro; é muito menor do que a força de atrito deslizante.

Se o atrito for útil, ele será aumentado; se prejudicial - reduza.

3. LEIS DE CONSERVAÇÃO

LEIS DE CONSERVAÇÃO, leis físicas, segundo as quais alguma propriedade de um sistema fechado permanece inalterada com quaisquer mudanças no sistema. Os mais importantes são leis da conservação da matéria e da energia. A lei da conservação da matéria afirma que a matéria não é criada nem destruída; durante as transformações químicas, a massa total permanece inalterada. A quantidade total de energia no sistema também permanece inalterada; a energia só é transformada de uma forma para outra. Ambas as leis são apenas aproximadamente verdadeiras. Massa e energia podem ser convertidas uma na outra de acordo com a equação E = ts 2. Apenas a quantidade total de massa e sua energia equivalente permanecem inalteradas. Outra lei de conservação diz respeito à carga elétrica: ela não pode ser criada e também não pode ser destruída. Aplicada aos processos nucleares, a lei de conservação é expressa no fato de que a carga total, spin e outros NÚMEROS QUÂNTICOS das partículas que interagem devem permanecer os mesmos para as partículas resultantes da interação. Em interações fortes, todos os números quânticos são conservados. Com interações fracas, alguns dos requisitos desta lei são violados, principalmente no que diz respeito à PARIDADE.

A lei da conservação da energia pode ser explicada usando o exemplo de uma bola de 1 kg caindo de uma altura de 100 m. A energia total inicial da bola é sua energia potencial. Quando cai, a energia potencial diminui gradativamente e a energia cinética aumenta, mas a quantidade total de energia permanece inalterada, havendo, portanto, conservação de energia. A - a energia cinética aumenta de 0 para o máximo, B - a energia potencial diminui do máximo para zero; C - a quantidade total de energia, que é igual à soma da cinética e potência A lei da conservação da matéria afirma que no curso das reações químicas, a matéria não é criada e não desaparece. Este fenômeno pode ser demonstrado usando o experimento clássico em que se pesa uma vela acesa sob uma jarra de vidro (A). Ao final do experimento, o peso da tampa e de seu conteúdo permanece o mesmo do início, embora a vela, cuja substância consiste principalmente em carbono e hidrogênio, "desapareça" porque os produtos voláteis da reação (água e dióxido de carbono) foram liberado dele. Somente depois que os cientistas reconheceram o princípio da conservação da matéria no final do século 18, uma abordagem quantitativa da química se tornou possível.

Trabalho mecanico ocorre quando um corpo se move sob a ação de uma força aplicada a ele.

O trabalho mecânico é diretamente proporcional à distância percorrida e proporcional à força:

Poder

A velocidade do trabalho em tecnologia é caracterizada por potência.

A potência é igual à razão entre o trabalho e o tempo para o qual foi feito:

Energiaé uma grandeza física que mostra quanto trabalho um corpo pode realizar. A energia é medida em joules.

Quando o trabalho é feito, a energia dos corpos é medida. O trabalho realizado é igual à variação de energia.

Energia potencialé determinado pela posição mútua de corpos que interagem ou partes do mesmo corpo.

E p \u003d F h \u003d gmh.

Onde g \u003d 9,8 N / kg, m - peso corporal (kg), h - altura (m).

Energia cinética possui o corpo como resultado de seu movimento. Quanto maior a massa do corpo e a velocidade, maior a sua energia cinética.

5. a lei básica da dinâmica do movimento rotacional

Momento de poder

1. O momento da força em torno do eixo de rotação, (1.1) onde é a projeção da força em um plano perpendicular ao eixo de rotação, é o braço da força (a menor distância do eixo de rotação à linha de ação da força).

2. O momento da força em relação ao ponto fixo O (a origem). (1.2) É determinado pelo produto vetorial do raio-vetor traçado do ponto O ao ponto de aplicação da força, por esta força; é um pseudovetor, sua direção coincide com a direção do movimento de translação da direita parafuso durante sua rotação otk ("regra da verruma"). Módulo do momento da força, (1.3) onde é o ângulo entre os vetores e, é o ressalto da força, a distância mais curta entre a linha de ação da força e o ponto de aplicação da força.

momento angular

1. O momento angular de um corpo girando em torno do eixo , (1.4) onde é o momento de inércia do corpo, é a velocidade angular. O momento angular do sistema de corpos é a soma vetorial do momento angular de todos os corpos do sistema: . (1.5)

2. O momento angular de um ponto material com momento relativo ao ponto fixo O (a origem). (1.6) É determinado pelo produto vetorial do raio-vetor traçado do ponto O ao ponto material e o vetor quantidade de movimento; é um pseudo-vetor, sua direção coincide com a direção do movimento de translação do parafuso direito durante sua rotação otk ("regra da verruma"). Módulo do vetor momento angular, (1.7)

Momento de inércia em torno do eixo de rotação

1. O momento de inércia de um ponto material, (1.8) onde é a massa do ponto, é sua distância do eixo de rotação.

2. Momento de inércia de um corpo rígido discreto, (1.9) onde é o elemento de massa do corpo rígido, é a distância deste elemento ao eixo de rotação, é o número de elementos do corpo.

3. Momento de inércia em caso de distribuição contínua de massa (corpo sólido sólido). (1.10) Se o corpo for homogêneo, ou seja, sua densidade é a mesma em todo o volume, então a expressão (1.11) é usada, onde e é o volume do corpo.

1. Força- vetor quantidade física, que é uma medida da intensidade do impacto em um determinado corpo outros órgãos e Campos . Anexado ao maciço força do corpo é a causa de sua mudança Rapidez ou ocorrência nele deformações e tensões.

A força como uma grandeza vetorial é caracterizada módulo, direção e "ponto" da aplicação força. Pelo último parâmetro, o conceito de força como vetor na física difere do conceito de vetor na álgebra vetorial, onde vetores iguais em valor absoluto e direção, independente do ponto de sua aplicação, são considerados o mesmo vetor. Em física, esses vetores são chamados de vetores livres. Na mecânica, é extremamente comum o conceito de vetores conexos, cujo início é fixado em um determinado ponto do espaço ou pode estar em uma linha que continua na direção do vetor (vetores deslizantes).

O conceito também é usado linha de força, denotando a linha reta que passa pelo ponto de aplicação da força, ao longo do qual a força é direcionada.

A segunda lei de Newton afirma que em sistemas de referência inerciais, a aceleração de um ponto material na direção coincide com a resultante de todas as forças aplicadas ao corpo, e em valor absoluto é diretamente proporcional ao módulo de força e inversamente proporcional à massa do material. apontar. Ou, de forma equivalente, a taxa de variação do momento de um ponto material é igual à força aplicada.

Quando uma força é aplicada a um corpo de dimensões finitas, surgem nele tensões mecânicas, acompanhadas de deformações.

Do ponto de vista do Modelo Padrão da física de partículas elementares, as interações fundamentais (gravitacional, fraca, eletromagnética, forte) são realizadas através da troca dos chamados bósons de calibre. Experimentos de física de alta energia realizados nos anos 70-80. século 20 confirmou a suposição de que as interações fraca e eletromagnética são manifestações de uma interação eletrofraca mais fundamental.

A dimensão da força é LMT −2, a unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o newton (N, N), no sistema CGS é o dina.

2. Primeira lei de Newton.

A primeira lei de Newton afirma que existem referenciais nos quais os corpos mantêm um estado de repouso ou movimento retilíneo uniforme na ausência de ações sobre eles de outros corpos ou com compensação mútua dessas influências. Tais referenciais são chamados de inerciais. Newton sugeriu que todo objeto massivo tem uma certa quantidade de inércia, que caracteriza o "estado natural" do movimento desse objeto. Essa ideia nega a visão de Aristóteles, que considerava o repouso o "estado natural" de um objeto. A primeira lei de Newton contradiz a física aristotélica, uma das disposições da qual é a afirmação de que um corpo pode se mover com velocidade constante apenas sob a ação de uma força. O fato de que na mecânica de Newton em referenciais inerciais, o repouso é fisicamente indistinguível do movimento retilíneo uniforme, é a razão do princípio da relatividade de Galileu. Entre a totalidade dos corpos, é fundamentalmente impossível determinar quais deles estão “em movimento” e quais estão “em repouso”. É possível falar de movimento apenas em relação a qualquer referencial. As leis da mecânica são as mesmas em todos os referenciais inerciais, ou seja, são todos mecanicamente equivalentes. Esta última decorre das chamadas transformações galileanas.

3. Segunda lei de Newton.

A segunda lei de Newton em sua formulação moderna soa assim: em um referencial inercial, a taxa de variação do momento de um ponto material é igual à soma vetorial de todas as forças que atuam nesse ponto.

onde é o momento do ponto material, é a força total que atua no ponto material. A segunda lei de Newton afirma que a ação de forças desequilibradas leva a uma mudança no momento de um ponto material.

Por definição de momento:

onde é a massa, é a velocidade.

Na mecânica clássica, em velocidades de movimento muito menores que a velocidade da luz, a massa de um ponto material é considerada inalterada, o que permite tirá-lo do sinal diferencial nas seguintes condições:

Dada a definição da aceleração de um ponto, a segunda lei de Newton assume a forma:

Acredita-se que seja "a segunda fórmula mais famosa da física", embora o próprio Newton nunca tenha escrito explicitamente sua segunda lei nesta forma. Pela primeira vez esta forma de lei pode ser encontrada nas obras de K. Maclaurin e L. Euler.

Como em qualquer referencial inercial a aceleração do corpo é a mesma e não muda ao passar de um referencial para outro, então a força também é invariante em relação a tal transição.

Em todos os fenômenos naturais força, independentemente de sua origem, aparece apenas em um sentido mecânico, ou seja, como causa da violação do movimento uniforme e retilíneo do corpo no sistema de coordenadas inerciais. A afirmação oposta, ou seja, o estabelecimento do fato de tal movimento, não indica a ausência de forças atuando sobre o corpo, mas apenas que as ações dessas forças são mutuamente equilibradas. Caso contrário: sua soma vetorial é um vetor com módulo igual a zero. Esta é a base para medir a magnitude de uma força quando ela é compensada por uma força cuja magnitude é conhecida.

A segunda lei de Newton permite medir a magnitude da força. Por exemplo, conhecer a massa de um planeta e sua aceleração centrípeta enquanto se move em órbita nos permite calcular a magnitude da força de atração gravitacional que atua sobre este planeta a partir do Sol.

4. Terceira lei de Newton.

Para quaisquer dois corpos (vamos chamá-los de corpo 1 e corpo 2), a terceira lei de Newton afirma que a força da ação do corpo 1 sobre o corpo 2 é acompanhada pelo aparecimento de uma força igual em valor absoluto, mas oposta em direção, agindo no corpo 1 do corpo 2. Matematicamente, a lei é escrita Assim:

Esta lei significa que as forças sempre surgem em pares ação-reação. Se o corpo 1 e o corpo 2 estão no mesmo sistema, então a força total no sistema devido à interação desses corpos é zero:

Isso significa que não há forças internas desequilibradas em um sistema fechado. Isso leva ao fato de que o centro de massa de um sistema fechado (ou seja, aquele que não é afetado por forças externas) não pode se mover com aceleração. Partes separadas do sistema podem acelerar, mas apenas de forma que o sistema como um todo permaneça em estado de repouso ou movimento retilíneo uniforme. No entanto, se forças externas agirem sobre o sistema, seu centro de massa começará a se mover com uma aceleração proporcional à força externa resultante e inversamente proporcional à massa do sistema.

5. Gravidade.

Gravidade ( gravidade) - interação universal entre qualquer tipo de matéria. No âmbito da mecânica clássica, ela é descrita pela lei da gravitação universal, formulada por Isaac Newton em sua obra "Os Princípios Matemáticos da Filosofia Natural". Newton obteve a magnitude da aceleração com que a Lua se move ao redor da Terra, assumindo no cálculo que a força gravitacional diminui inversamente com o quadrado da distância do corpo gravitacional. Além disso, ele também descobriu que a aceleração devido à atração de um corpo por outro é proporcional ao produto das massas desses corpos. Com base nessas duas conclusões, a lei da gravidade foi formulada: quaisquer partículas materiais são atraídas umas para as outras com uma força que é diretamente proporcional ao produto das massas ( e ) e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas:

Aqui está a constante gravitacional, cujo valor foi obtido pela primeira vez por Henry Cavendish em seus experimentos. Usando esta lei, pode-se obter fórmulas para calcular a força gravitacional de corpos de forma arbitrária. A teoria da gravitação de Newton descreve bem o movimento dos planetas do sistema solar e muitos outros corpos celestes. No entanto, baseia-se no conceito de ação de longo alcance, o que contradiz a teoria da relatividade. Portanto, a teoria clássica da gravidade não é aplicável para descrever o movimento de corpos que se movem a uma velocidade próxima à velocidade da luz, os campos gravitacionais de objetos extremamente massivos (por exemplo, buracos negros), bem como campos gravitacionais variáveis ​​criados por corpos em movimento a grandes distâncias deles.

Uma teoria mais geral da gravidade é a teoria geral da relatividade de Albert Einstein. Nele, a gravidade não é caracterizada por uma força invariante que não depende do referencial. Em vez disso, o movimento livre de corpos em um campo gravitacional, percebido pelo observador como movimento ao longo de trajetórias curvas no espaço-tempo tridimensional com velocidade variável, é considerado como movimento por inércia ao longo de uma linha geodésica em um espaço quadridimensional curvo -tempo, em que o tempo flui de forma diferente em diferentes pontos. Além disso, essa linha é, em certo sentido, "a mais direta" - é tal que o intervalo espaço-tempo (tempo próprio) entre as duas posições espaço-temporais de um determinado corpo é máximo. A curvatura do espaço depende da massa dos corpos, bem como de todos os tipos de energia presentes no sistema.

6. Campo eletrostático (campo de cargas fixas).

O desenvolvimento da física após Newton adicionou às três quantidades principais (comprimento, massa, tempo) uma carga elétrica com a dimensão C. No entanto, com base nas exigências da prática, eles começaram a usar não uma unidade de carga, mas uma unidade de corrente elétrica como principal unidade de medida. Assim, no sistema SI, a unidade básica é o ampère, e a unidade de carga é o pingente, um derivado dele.

Como a carga, como tal, não existe independentemente do corpo que a carrega, a interação elétrica dos corpos se manifesta na forma da mesma força considerada na mecânica, que causa a aceleração. Aplicada à interação eletrostática de duas cargas pontuais com valores e localizadas no vácuo, é utilizada a lei de Coulomb. Na forma correspondente ao sistema SI, tem a forma:

onde é a força com que a carga 1 atua sobre a carga 2; Quando as cargas são colocadas em um meio homogêneo e isotrópico, a força de interação diminui por um fator de ε, onde ε é a permissividade do meio.

A força é direcionada ao longo da linha que conecta as cargas puntiformes. Graficamente, um campo eletrostático é geralmente representado como uma imagem de linhas de força, que são trajetórias imaginárias ao longo das quais uma partícula carregada sem massa se moveria. Essas linhas começam em uma e terminam em outra carga.

7. Campo eletromagnético (campo de corrente contínua).

A existência de um campo magnético foi reconhecida na Idade Média pelos chineses, que usaram a "pedra amorosa" - um ímã, como protótipo de uma bússola magnética. Graficamente, o campo magnético é geralmente representado como linhas de força fechadas, cuja densidade (como no caso de um campo eletrostático) determina sua intensidade. Historicamente, uma forma visual de visualizar o campo magnético era a limalha de ferro, derramada, por exemplo, em uma folha de papel colocada sobre um ímã.

Oersted descobriu que a corrente que flui através do condutor causa a deflexão da agulha magnética.

Faraday chegou à conclusão de que um campo magnético é criado em torno de um condutor de corrente.

Ampere apresentou uma hipótese, reconhecida na física, como modelo do processo de surgimento de um campo magnético, que consiste na existência de correntes microscópicas fechadas nos materiais, que juntas proporcionam o efeito do magnetismo natural ou induzido.

Ampere descobriu que em um referencial no vácuo, em relação ao qual a carga está em movimento, ou seja, se comporta como uma corrente elétrica, surge um campo magnético, cuja intensidade é determinada pelo vetor de indução magnética situado em um plano perpendicular à direção do movimento da carga.

A unidade de indução magnética é tesla: 1 T = 1 T kg s −2 A −2
O problema foi resolvido quantitativamente por Ampere, que mediu a força de interação de dois condutores paralelos com as correntes que os atravessavam. Um dos condutores criou um campo magnético ao seu redor, o segundo reagiu a este campo aproximando-se ou afastando-se com uma força mensurável, sabendo qual e a magnitude da intensidade da corrente, foi possível determinar o módulo do vetor de indução magnética.

A interação de forças entre cargas elétricas que não estão em movimento uma em relação à outra é descrita pela lei de Coulomb. No entanto, as cargas que estão em movimento umas em relação às outras criam campos magnéticos, através dos quais as correntes criadas pelo movimento das cargas geralmente entram em um estado de interação de força.

A diferença fundamental entre a força decorrente do movimento relativo das cargas e o caso de sua colocação estacionária é a diferença na geometria dessas forças. Para o caso da eletrostática, as forças de interação de duas cargas são direcionadas ao longo da linha que as conecta. Portanto, a geometria do problema é bidimensional e a consideração é realizada no plano que passa por essa reta.

No caso das correntes, a força que caracteriza o campo magnético criado pela corrente está localizada em um plano perpendicular à corrente. Portanto, a imagem do fenômeno torna-se tridimensional. O campo magnético criado por um elemento da primeira corrente, infinitamente pequeno em comprimento, interagindo com o mesmo elemento da segunda corrente, no caso geral, cria uma força agindo sobre ele. Além disso, para ambas as correntes, esta imagem é completamente simétrica no sentido de que a numeração das correntes é arbitrária.

A lei da interação das correntes é usada para padronizar a corrente elétrica contínua.

8. Forte interação.

A interação forte é a interação fundamental de curto alcance entre hádrons e quarks. No núcleo atômico, a força forte mantém unidos prótons carregados positivamente (experimentando repulsão eletrostática), isso acontece através da troca de pi-mésons entre nucleons (prótons e nêutrons). Os mésons pi vivem muito pouco, seu tempo de vida é suficiente apenas para fornecer forças nucleares dentro do raio do núcleo, portanto, as forças nucleares são chamadas de curto alcance. Um aumento no número de nêutrons "dilue" o núcleo, reduzindo as forças eletrostáticas e aumentando as nucleares, mas com um grande número de nêutrons, sendo férmions, eles mesmos começam a sofrer repulsão devido ao princípio de Pauli. Além disso, quando os núcleons estão muito próximos, a troca de bósons W começa, causando repulsão, graças à qual os núcleos atômicos não “colapsam”.

Dentro dos próprios hádrons, a força forte mantém juntos os quarks que compõem os hádrons. Os quanta do campo forte são glúons. Cada quark tem uma das três cargas "coloridas", cada glúon consiste em um par de "cor" - "anticolor". Glúons ligam quarks no chamado. "confinamento", devido ao qual quarks livres não foram observados no experimento no momento. Quando os quarks se afastam uns dos outros, a energia das ligações dos glúons aumenta e não diminui como no caso da interação nuclear. Tendo gasto muita energia (ao colidir hádrons no acelerador), pode-se quebrar a ligação quark-glúon, mas neste caso, um jato de novos hádrons é ejetado. No entanto, quarks livres podem existir no espaço: se um quark conseguiu evitar o confinamento durante o Big Bang, então a probabilidade de aniquilar com o antiquark correspondente ou se transformar em um hádron incolor para tal quark é muito pequena.

9. Interação fraca.

A interação fraca é a interação fundamental de curto alcance. Faixa 10 −18 m. Simétrico em relação à combinação de inversão espacial e conjugação de carga. A interação fraca envolve todos osférmions (léptons e quarks). Esta é a única interação que envolveneutrino(para não mencionar gravidade, insignificante em condições de laboratório), o que explica o colossal poder de penetração dessas partículas. A interação fraca permite que léptons, quarks e seusantipartículas intercâmbio energia, peso, carga elétrica e Números quânticos- isto é, se transformam um no outro. Uma das manifestaçõesdecaimento beta.

É necessário conhecer o ponto de aplicação e a direção de cada força. É importante poder determinar exatamente quais forças atuam no corpo e em que direção. A força é denotada como , medida em Newtons. A fim de distinguir entre as forças, elas são designadas da seguinte forma

Abaixo estão as principais forças que atuam na natureza. É impossível inventar forças inexistentes na resolução de problemas!

Existem muitas forças na natureza. Aqui consideramos as forças que são consideradas no curso de física escolar ao estudar dinâmica. Outras forças também são mencionadas, que serão discutidas em outras seções.

Gravidade

Todos os corpos do planeta são afetados pela gravidade da Terra. A força com que a Terra atrai cada corpo é determinada pela fórmula

O ponto de aplicação está no centro de gravidade do corpo. Gravidade sempre apontando verticalmente para baixo.

Força de fricção

Vamos nos familiarizar com a força de atrito. Essa força surge quando os corpos se movem e duas superfícies entram em contato. A força surge como resultado do fato de que as superfícies, quando vistas ao microscópio, não são lisas como parecem. A força de atrito é determinada pela fórmula:

Uma força é aplicada no ponto de contato entre duas superfícies. Direcionado na direção oposta ao movimento.

Força de reação de apoio

Imagine um objeto muito pesado sobre uma mesa. A mesa se dobra sob o peso do objeto. Mas, de acordo com a terceira lei de Newton, a mesa atua sobre o objeto exatamente com a mesma força que o objeto sobre a mesa. A força é direcionada oposta à força com que o objeto pressiona a mesa. Isso está em alta. Essa força é chamada de reação de apoio. O nome da força "fala" reagir suporte. Essa força surge sempre que há impacto no suporte. A natureza de sua ocorrência no nível molecular. O objeto, por assim dizer, deformou a posição e as conexões usuais das moléculas (dentro da mesa), elas, por sua vez, tendem a retornar ao seu estado original, “resistir”.

Absolutamente qualquer corpo, mesmo um muito leve (por exemplo, um lápis sobre uma mesa), deforma o suporte no nível micro. Portanto, ocorre uma reação de suporte.

Não existe uma fórmula especial para encontrar essa força. Eles a designam com a letra, mas essa força é apenas um tipo separado de força elástica, então também pode ser denotada como

A força é aplicada no ponto de contato do objeto com o suporte. Direcionado perpendicularmente ao suporte.

Como o corpo é representado como um ponto material, a força pode ser representada a partir do centro

Força elástica

Essa força surge como resultado da deformação (mudanças no estado inicial da matéria). Por exemplo, quando esticamos uma mola, aumentamos a distância entre as moléculas do material da mola. Quando comprimimos a mola, nós a diminuímos. Quando torcemos ou mudamos. Em todos esses exemplos, surge uma força que impede a deformação - a força elástica.

lei de Hooke

A força elástica é direcionada oposta à deformação.

Como o corpo é representado como um ponto material, a força pode ser representada a partir do centro

Quando conectado em série, por exemplo, molas, a rigidez é calculada pela fórmula

Quando conectado em paralelo, a rigidez

Rigidez da amostra. Módulo de Young.

O módulo de Young caracteriza as propriedades elásticas de uma substância. Este é um valor constante que depende apenas do material, seu estado físico. Caracteriza a capacidade de um material resistir à deformação por tração ou compressão. O valor do módulo de Young é tabular.

Saiba mais sobre as propriedades dos sólidos.

Peso corporal

O peso corporal é a força com que um objeto atua sobre um suporte. Você diz que é gravidade! A confusão ocorre no seguinte: de fato, muitas vezes o peso do corpo é igual à força da gravidade, mas essas forças são completamente diferentes. A gravidade é a força que resulta da interação com a Terra. O peso é o resultado da interação com o suporte. A força da gravidade é aplicada no centro de gravidade do objeto, enquanto o peso é a força que é aplicada ao suporte (não ao objeto)!

Não existe uma fórmula para determinar o peso. Esta força é indicada pela letra .

A força de reação do suporte ou força elástica surge em resposta ao impacto de um objeto em uma suspensão ou suporte, portanto o peso do corpo é sempre numericamente igual à força elástica, mas tem direção oposta.

A força de reação do suporte e do peso são forças da mesma natureza, de acordo com a 3ª lei de Newton elas são iguais e de direção oposta. O peso é uma força que atua sobre um suporte, não sobre um corpo. A força da gravidade atua sobre o corpo.

O peso corporal pode não ser igual à gravidade. Pode ser mais ou menos, ou pode ser tal que o peso seja zero. Este estado é chamado ausência de peso. A ausência de peso é um estado em que um objeto não interage com um suporte, por exemplo, um estado de voo: existe gravidade, mas o peso é zero!

É possível determinar a direção da aceleração se você determinar para onde a força resultante é direcionada

Observe que o peso é uma força, medida em Newtons. Como responder corretamente à pergunta: "Quanto você pesa"? Respondemos 50 kg, nomeando não o peso, mas a nossa massa! Neste exemplo, nosso peso é igual à gravidade, que é aproximadamente 500N!

Sobrecarga- a relação peso/gravidade

Força de Arquimedes

A força surge como resultado da interação de um corpo com um líquido (gás), quando está imerso em um líquido (ou gás). Essa força empurra o corpo para fora da água (gás). Portanto, é direcionado verticalmente para cima (empurra). Determinado pela fórmula:

No ar, desprezamos a força de Arquimedes.

Se a força de Arquimedes for igual à força da gravidade, o corpo flutua. Se a força de Arquimedes for maior, então ela sobe para a superfície do líquido, se for menor, ela afunda.

forças elétricas

Existem forças de origem elétrica. Ocorrem na presença de uma carga elétrica. Essas forças, como a força de Coulomb, a força de Ampère e a força de Lorentz, são discutidas em detalhes na seção Eletricidade.

Designação esquemática das forças que atuam no corpo

Muitas vezes o corpo é modelado por um ponto material. Portanto, nos diagramas, vários pontos de aplicação são transferidos para um ponto - para o centro, e o corpo é esquematicamente representado como um círculo ou retângulo.

Para designar corretamente as forças, é necessário listar todos os corpos com os quais o corpo em estudo interage. Determine o que acontece como resultado da interação com cada um: atrito, deformação, atração ou talvez repulsão. Determine o tipo de força, indique corretamente a direção. Atenção! O número de forças coincidirá com o número de corpos com os quais a interação ocorre.

A principal coisa a lembrar

1) Forças e sua natureza;
2) Direção das forças;
3) Ser capaz de identificar as forças atuantes

Distinguir entre atrito externo (seco) e interno (viscoso). O atrito externo ocorre entre superfícies sólidas em contato, o atrito interno ocorre entre as camadas de líquido ou gás durante seu movimento relativo. Existem três tipos de atrito externo: atrito estático, atrito de deslizamento e atrito de rolamento.

O atrito de rolamento é determinado pela fórmula

A força de resistência surge quando um corpo se move em um líquido ou gás. A magnitude da força de resistência depende do tamanho e forma do corpo, da velocidade de seu movimento e das propriedades do líquido ou gás. Em baixas velocidades, a força de resistência é proporcional à velocidade do corpo

Em altas velocidades é proporcional ao quadrado da velocidade

Considere a atração mútua de um objeto e da Terra. Entre eles, de acordo com a lei da gravidade, surge uma força

Agora vamos comparar a lei da gravidade e a força da gravidade

O valor da aceleração de queda livre depende da massa da Terra e do seu raio! Assim, é possível calcular com que aceleração os objetos na Lua ou em qualquer outro planeta cairão, usando a massa e o raio desse planeta.

A distância do centro da Terra aos pólos é menor do que ao equador. Portanto, a aceleração da queda livre no equador é ligeiramente menor do que nos pólos. Ao mesmo tempo, deve-se notar que a principal razão para a dependência da aceleração da queda livre na latitude da área é o fato de a Terra girar em torno de seu eixo.

Ao se afastar da superfície da Terra, a força da gravidade e a aceleração da queda livre mudam inversamente com o quadrado da distância ao centro da Terra.