Veja também "Portal Físico"

Força como uma quantidade 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 ligados, cujo início é fixo em um determinado ponto do espaço ou pode estar em uma linha que continua a direção do vetor (vetores deslizantes), é extremamente comum. .

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 - dine.

História do conceito

O conceito de força foi utilizado pelos cientistas da antiguidade em seus trabalhos sobre estática e movimento. Ele se dedicou ao estudo das forças no processo de projeto de 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. No início do século XX. Albert Einstein na teoria da relatividade mostrou que a mecânica newtoniana é correta apenas em velocidades relativamente baixas e massas de corpos no sistema, esclarecendo assim as disposições básicas da cinemática e dinâmica e descrevendo algumas novas propriedades do espaço-tempo.

mecânica newtoniana

Isaac Newton começou a descrever o movimento dos objetos usando os conceitos de inércia e força. Tendo feito isso, ele estabeleceu ao longo do caminho que qualquer movimento mecânico está sujeito às leis gerais de conservação. No Sr. Newton publicou sua famosa obra "", na qual delineou as três leis fundamentais da mecânica clássica (as famosas leis de Newton).

primeira lei de newton

Por exemplo, as leis da mecânica são exatamente as mesmas na carroceria de um caminhão quando ele está dirigindo em um trecho reto 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 em movimento uniforme e retilíneo 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 a bola se mover em relação ao solo durante o vôo não apenas verticalmente, mas também horizontalmente por inércia na direção do caminhão. Para uma pessoa na traseira de um caminhão, não importa se este está se movendo na estrada ou se o mundo ao redor está se movendo em 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 impulso:

onde é a massa, é a velocidade.

Se a massa de um ponto material permanecer 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 na direção, atuando no corpo 1 do corpo 2. Matematicamente, a lei é escrita assim:

Essa 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 (isto é, 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 atuarem no 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 da 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 maciços. O forte e o fraco aparecem apenas a distâncias muito pequenas e são responsáveis ​​pela interação entre as partículas subatômicas, inclusive os nucleons 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 retirada da antiguidade para explicar quaisquer fenômenos do mundo ao nosso redor 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 inconscientemente) 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 por meio 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 portadores de interação correspondentes: gravitacional - a troca de grávitons (a existência não foi confirmada experimentalmente), eletromagnética - fótons virtuais, fracos - bósons vetoriais, fortes - glúons (e em grandes distâncias - mésons ). Atualmente, as interações eletromagnéticas e fracas são mescladas na interação eletrofraca mais fundamental. Tentativas estão sendo feitas 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 gerada pela deformação de uma mola, descrita pela lei de Hooke, também é resultado de forças eletromagnéticas entre partículas e do princípio de exclusão de Pauli, obrigando os átomos da rede cristalina de uma substância a serem mantidos próximos a uma posição de equilíbrio. .

No entanto, na prática, torna-se não 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, 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 gravitante. 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 pelas outras com uma força 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 os 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 dimensão C. No entanto, com base nos requisitos da prática baseada na conveniência de medição, uma corrente elétrica com dimensão I foi frequentemente usado em vez de uma carga, além disso 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. Quando 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 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 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, sobre uma folha de papel colocada sobre um imã.

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 tem direção oposta ao deslocamento, perpendicular à superfície. O vetor de força é oposto à direção do deslocamento das moléculas.

Força de fricção- a força que surge do movimento relativo de 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 força de atrito tem direção oposta ao vetor 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 de força de resistência tem direção oposta ao vetor de velocidade.

Força de reação de suporte normal- a força elástica que atua do lado do apoio sobre o corpo. Orientado perpendicularmente à superfície do suporte.

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

Pressão osmótica

Forças de Van der Waals- forças eletromagnéticas intermoleculares decorrentes da polarização das 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 cumprir a segunda lei de Newton neles. Em particular, no referencial associado a um corpo uniformemente acelerado, a força de inércia é oposta à aceleração. Da força inercial 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 resultante. Esta é a soma geométrica de todas as forças que atuam sobre o corpo. Nesse caso, a ação de cada força independe da ação de outras, ou seja, cada força confere ao corpo uma aceleração tal que daria na ausência da ação de outras forças. Essa afirmação é chamada de princípio da independência da ação das forças (princípio da superposição).

Veja também

Fontes

• 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 cause 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" Conselho Editorial de literatura física e matemática de referência. 1964.

Existem quatro tipos de forças na natureza: gravitacional, eletromagnética, nuclear e fraca.

forças gravitacionais, ou força gravitacional, operam entre todos os corpos. Mas essas forças são perceptíveis se pelo menos um dos corpos tiver dimensões proporcionais às dimensões dos planetas. As forças de atração entre corpos comuns são tão pequenas que podem ser desprezadas. Portanto, as forças gravitacionais podem ser consideradas as forças de interação entre os planetas, bem como entre os planetas e o Sol ou outros corpos que possuem uma massa muito grande. Estes podem ser estrelas, satélites de planetas, etc.

Forças eletromagnéticas agem entre corpos que possuem carga elétrica.

forças nucleares(forte) são os mais poderosos na natureza. Eles agem dentro dos núcleos dos átomos a distâncias de 10 -13 cm.

Forças Fracas, como os nucleares, agem a pequenas distâncias da ordem de 10 -15 cm e, como resultado de sua ação, ocorrem processos dentro do núcleo.

A mecânica considera forças gravitacionais, forças elásticas e forças de atrito.

Forças gravitacionais

A gravidade é descrita a lei da gravitação universal. Esta lei foi delineado por Newton no meio XVII v. em Princípios Matemáticos da Filosofia Natural.

Gravidadechamada de força gravitacional com a qual quaisquer partículas materiais são atraídas umas pelas outras.

A força com que as partículas materiais são atraídas umas pelas outras é diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. .

G - constante gravitacional, numericamente igual ao módulo da força gravitacional com a qual um corpo de massa unitária atua sobre um corpo de mesma massa unitária e localizado a uma distância unitária dele.

G \u003d 6,67384 (80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1, ou N m² kg −2.

Na superfície da Terra, a força gravitacional (gravitational force) se manifesta na forma gravidade.

Vemos que qualquer objeto lançado na direção horizontal ainda cai. Qualquer objeto jogado para cima também cai. Isso se deve à força da gravidade agindo sobre qualquer corpo material localizado perto da superfície da Terra. A gravidade atua nos corpos e nas superfícies de outros corpos astronômicos. Essa força é sempre direcionada verticalmente para baixo.

Sob a influência da gravidade, o corpo se move para a superfície do planeta com uma aceleração chamada aceleração de queda livre.

A aceleração de queda livre na superfície da Terra é denotada pela letra g .

F t = mg ,

por isso,

g = F t / m

g \u003d 9,81 m / s 2 nos pólos da Terra e no equador g \u003d 9,78 m / s 2.

Ao resolver problemas físicos simples, a quantidade g é considerado igual a 9,8 m / s 2.

A teoria clássica da gravitação é aplicável apenas para corpos com velocidade muito inferior à velocidade da luz.

forças elásticas

Forças de elasticidade chamadas de forças que surgem no corpo como resultado da deformação, causando uma mudança em sua forma ou volume. Essas forças sempre se esforçam para retornar o corpo à sua posição original.

Durante a deformação, as partículas do corpo são deslocadas. A força elástica é direcionada na direção oposta à direção do deslocamento da partícula. Se a deformação parar, a força elástica desaparece.

O físico inglês Robert Hooke, contemporâneo de Newton, descobriu uma lei que estabelece uma relação entre a força de elasticidade e a deformação de um corpo.

Quando o corpo é deformado, surge uma força elástica, que é diretamente proporcional ao alongamento do corpo, e tem direção oposta ao movimento das partículas durante a deformação.

F = k ∆ eu ,

Onde Para é a rigidez do corpo, ou coeficiente de elasticidade;

∆ eu - a quantidade de deformação, mostrando a quantidade de alongamento do corpo sob a influência de forças elásticas.

A lei de Hooke é válida para deformações elásticas quando o alongamento do corpo é pequeno, e o corpo recupera suas dimensões originais depois que as forças que causaram essa deformação desaparecem.

Se a deformação for grande e o corpo não retornar à sua forma original, a lei de Hooke não se aplica. No deformações muito grandes, ocorre a destruição do corpo.

Forças de atrito

O atrito ocorre quando um corpo se move sobre a superfície de outro. Tem uma natureza eletromagnética. Esta é uma consequência da interação entre átomos e moléculas de corpos adjacentes. A direção da força de atrito é oposta à direção do movimento.

Distinguir seco E líquido atrito. O atrito é dito seco se não houver camada líquida ou gasosa entre os corpos.

Uma característica distintiva do atrito seco é o atrito estático, que ocorre quando os corpos estão em repouso relativo.

Valor forças de atrito estático sempre igual à magnitude da força externa e dirigida na direção oposta. A força de atrito estático impede que o corpo se mova.

Por sua vez, o atrito seco é dividido em atrito escorregar e fricção rolando.

Se a magnitude da força externa exceder a magnitude da força de atrito, nesse caso, o deslizamento aparecerá e um dos corpos em contato começará a se mover para frente em relação ao outro corpo. E a força de atrito será chamada força de atrito deslizante. Sua direção será oposta à direção de deslizamento.

A força de atrito deslizante depende da força com que os corpos se pressionam, do estado das superfícies de atrito, da velocidade do movimento, mas não depende da área de contato.

A força de atrito deslizante de um corpo na superfície de outro é calculada pela fórmula:

F tr. = kN ,

Onde k- coeficiente de atrito de deslizamento;

N é a força de reação normal que atua sobre o corpo a partir da superfície.

Força de atrito de rolamento ocorre entre um corpo que rola sobre uma superfície e a própria superfície. Tais forças aparecem, por exemplo, quando os pneus de um carro entram em contato com a superfície da estrada.

O valor da força de atrito de rolamento é calculado pela fórmula

Onde F t – força de atrito de rolamento;

f é o coeficiente de atrito de rolamento;

R é o raio do corpo rolante;

N - força de pressão.

leis de newton

Lei de Newton I

Existem tais sistemas de referência, chamados inerciais, em relação aos quais os corpos mantêm sua velocidade inalterada, se não forem afetados por outros corpos ou se a ação de outras forças for compensada.

Lei de Newton II

A aceleração de um corpo é diretamente proporcional à resultante das forças aplicadas ao corpo e inversamente proporcional à sua massa:

terceira lei de newton

As forças com as quais dois corpos agem um sobre o outro são iguais em magnitude e opostas em direção.

Tipos de força

A força da elasticidade chamada de força que ocorre no corpo quando sua forma ou tamanho muda. Isso acontece se o corpo for comprimido, esticado, dobrado ou torcido. Por exemplo, uma força elástica surgiu em uma mola como resultado de sua compressão e atua sobre um tijolo.
A força elástica é sempre oposta à força que causou a mudança na forma ou tamanho do corpo. Em nosso exemplo, o tijolo caído comprimiu a mola, ou seja, atuou sobre ela com uma força descendente. Como resultado, uma força elástica apareceu na mola, direcionada na direção oposta, ou seja, para cima. Podemos confirmar isso observando o ressalto de um tijolo.

Lei de Hooke: a força elástica que surge em um corpo deformado é diretamente proporcional ao vetor de deformação e oposta a ele na direção.
onde k é o coeficiente de elasticidade, L é o valor da deformação elástica.

gravidade chame a força com a qual todos os corpos do mundo são atraídos uns pelos outros (ver § 2-a). Uma variação da força gravitacional é a força da gravidade - a força com que um corpo localizado perto de um planeta é atraído por ele. Por exemplo, um foguete parado em Marte também é afetado pela gravidade.

Gravidade sempre direcionado para o centro do planeta. A figura mostra que a Terra está atraindo o menino e a bola com forças direcionadas para baixo, ou seja, para o centro do planeta. Como você pode ver, a direção "para baixo" é diferente para diferentes lugares do planeta. Isso também será verdade para outros planetas e corpos cósmicos. Estudaremos a força da gravidade com mais detalhes no § 3-d.

Pela força de atrito chamada de força que impede que um corpo deslize sobre a superfície de outro. Considere o desenho. A frenagem repentina do carro é sempre acompanhada por um "guincho dos freios". Este som é causado pelos pneus derrapando na calçada. Nesse caso, os pneus são fortemente apagados, pois uma força de atrito atua entre as rodas e a estrada, evitando a derrapagem.
A força de atrito é sempre oposta à direção de (possível) deslizamento do corpo considerado sobre a superfície de outro. Por exemplo, quando um carro freia bruscamente, suas rodas deslizam para frente, o que significa que a força de atrito que atua sobre elas na estrada é direcionada na direção oposta, ou seja, para trás.
A força de atrito surge não apenas quando um corpo desliza sobre a superfície de outro. Há também a força de atrito estático. Por exemplo, ao sair da estrada com uma bota, não observamos seu deslizamento. Nesse caso, surge uma força de atrito estático, devido à qual avançamos. Na ausência dessa força, não poderíamos dar um passo, como, por exemplo, no gelo.

Pelo poder de Arquimedes(ou força de empuxo) é a força com que um líquido ou gás age sobre um corpo imerso neles - eles o empurram para fora. A figura mostra que a água atua nas bolhas de ar exaladas pelos peixes - empurrando-as para a superfície. A água também age sobre peixes e pedras - reduz seu peso (a força com que as pedras pressionam o fundo).

O poder da resistência. A força que atua sobre um corpo durante seu movimento de translação em um líquido ou gás é chamada de força de arrasto.
A força de resistência depende da velocidade do corpo em relação ao ambiente externo e tem direção oposta ao vetor velocidade do corpo.
onde k é o coeficiente de proporcionalidade, dependendo da velocidade do corpo em relação ao meio, V é o módulo da velocidade do corpo em relação ao meio.

A força de atração gravitacional.
A interação gravitacional entre os corpos é realizada por meio de um campo gravitacional.
As forças gravitacionais são direcionadas ao longo de uma linha reta conectando os pontos de interação, ou seja, são as forças centrais.

Lei da gravidade:
Entre dois pontos materiais existem forças de atração mútua proporcionais ao produto das massas dos pontos, inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre eles.
onde G = 6,67 10^-11 (N m^2) / kg^2 - constante gravitacional, m1, m2 - massas gravitacionais de pontos materiais, R - distância entre pontos materiais.
A lei da gravitação universal também é válida para corpos esféricos homogêneos. Neste caso, R é a distância entre os centros de gravidade dos corpos.

Todos os processos ao nosso redor ocorrem como resultado da ação de uma ou outra força física. Com sua manifestação, uma pessoa se encontra em todos os lugares, começando com o fato de ter que fazer força para sair da cama pela manhã e terminando com os movimentos de objetos espaciais maciços. Este artigo é dedicado às questões do que é força na física e que tipos existem.

O conceito de força

A questão do que é força na física, começamos a considerar com sua definição. Sob ele, assume-se uma quantidade que pode alterar o momento do corpo em questão. A expressão matemática para esta definição se parece com isso:

Aqui dp¯ é a mudança no momento (caso contrário, é chamado de momento), dt é o período de tempo durante o qual ele muda. Isso mostra que F¯ (força) é um vetor, ou seja, para determiná-la é preciso conhecer tanto o módulo (valor absoluto) quanto a direção de sua aplicação.

Como você sabe, o momento é medido em kg * m / s. Isso significa que F¯ é calculado em kg*m/s 2 . Essa unidade de medida é chamada de newton (N) no SI. Como a unidade m / s 2 é uma medida de aceleração linear na mecânica clássica, a 2ª lei de Isaac Newton decorre automaticamente da definição de força:

Em tal fórmula, a¯ = dv¯/dt é a aceleração.

Esta fórmula de força na física mostra que na mecânica newtoniana a quantidade F¯ é caracterizada pela aceleração que pode transmitir a um corpo com massa m.

Classificação dos tipos de forças

O tema da força na física é bastante amplo e, após consideração detalhada, afeta os conceitos fundamentais da estrutura da matéria e os processos que ocorrem no Universo. Neste artigo, não consideraremos o conceito de força relativística (processos que ocorrem em velocidades próximas à da luz) e força na mecânica quântica, mas nos limitaremos à sua descrição para objetos macroscópicos, cujo movimento é determinado pelas leis da teoria clássica mecânica.

Assim, com base na observação cotidiana de processos na vida cotidiana e na natureza, os seguintes tipos de força podem ser distinguidos:

• gravidade (gravidade);
• impacto de suporte;
• atrito;
• tensão;
• elasticidade;
• retorna.

Abrindo a questão do que é força na física, consideraremos cada um desses tipos com mais detalhes.

Gravitação Universal de Newton

Na física, a ação da gravidade se manifesta na atração de dois objetos de massa finita. A força da gravidade é bastante fraca quando comparada com as interações elétricas ou nucleares. Ele se manifesta em escala cósmica (movimento de planetas, estrelas, galáxias).

No século 17, Isaac Newton, estudando o movimento dos planetas ao redor do Sol, chegou à formulação da lei, que é chamada de gravitação universal. Na física, a fórmula para a força da gravidade é escrita da seguinte forma:

Uma determinação experimental do valor G foi feita apenas no final do século 18 por Henry Cavendish, que usou uma balança de torção em seu experimento. Esta experiência tornou possível determinar a massa do nosso planeta.

Na fórmula acima, se um dos corpos for a nossa Terra, a força gravitacional para qualquer objeto localizado próximo à superfície da Terra será igual a:

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

onde g \u003d G * M / R 2

Aqui M é a massa do planeta, R é o seu raio (a distância entre o corpo e o centro da Terra é aproximadamente igual ao raio deste último). A última expressão é uma representação matemática da quantidade, que é comumente chamada de peso do corpo, ou seja:

A expressão mostra que na física a gravidade equivale ao peso de um corpo. O valor de P é medido conhecendo a força de resistência do suporte sobre o qual o corpo dado está localizado.

Reação de superfície de suporte

Por que pessoas, casas e outros objetos não caem no chão? Por que um livro colocado sobre uma mesa não cai? Esses e outros fatos semelhantes são explicados pela existência da força de reação do suporte, muitas vezes denotada pela letra N. Já fica claro pelo nome que é uma característica do impacto no corpo da superfície na qual é localizado.

Com base no fato observado do equilíbrio, podemos escrever a expressão:

(para posição horizontal do corpo)

Ou seja, a força de suporte é igual em valor absoluto ao peso do corpo se estiver em uma superfície horizontal e oposta a ela na direção. Se o corpo estiver localizado em um plano inclinado, o cálculo de N já é feito usando a função trigonométrica (sin (x) ou cos (x)), pois P é sempre direcionado para o centro da Terra (para baixo), e N é direcionado perpendicularmente ao plano da superfície (para cima).

Compreender a causa da força N está além do escopo da mecânica clássica. Em poucas palavras, digamos que é uma consequência direta do chamado princípio de exclusão de Pauli. Segundo ele, dois elétrons não podem estar no mesmo estado. Esse fato leva ao fato de que, se dois átomos forem colocados juntos, apesar de estarem 99% vazios, as camadas de elétrons não podem penetrar uma na outra e uma forte repulsão aparece entre elas.

Força de fricção

Na física, esse tipo de ação de força não é menos frequente do que as discutidas acima. O atrito ocorre sempre que um objeto começa a se mover. Em geral, na física, a força de atrito costuma ser atribuída a um dos 3 tipos:

• descansar;
• escorregar;
• rolando.

Os dois primeiros tipos são descritos pela seguinte expressão:

Aqui μ é o coeficiente de atrito, cujo valor depende tanto do tipo de força (repouso ou atrito) quanto dos materiais das superfícies de atrito.

O atrito de rolamento, um excelente exemplo do qual é uma roda em movimento, é calculado usando a fórmula:

Aqui R é o raio da roda, f é um coeficiente que difere de μ não apenas em valor, mas também em dimensão (μ é adimensional, f é medido em unidades de comprimento).

Qualquer tipo de força de atrito é sempre direcionada contra o movimento, é diretamente proporcional à força N e não depende da área de contato entre as superfícies.

A razão para o aparecimento do atrito entre duas superfícies é a presença de microheterogeneidades sobre elas, levando ao seu “engate” como pequenos ganchos. Esta explicação simples é uma aproximação bastante boa do processo real, que é muito mais complexo, e para uma compreensão profunda envolve a consideração de interações em escala atômica.

As fórmulas acima referem-se ao atrito de sólidos. No caso de substâncias fluidas (líquidos e gases), o atrito também está presente, só que já é proporcional à velocidade do objeto (o quadrado da velocidade para movimentos rápidos).

Força de tensão

O que é força na física quando se considera o movimento de mercadorias usando cordas, cordas e cabos? Chama-se força de tensão. Geralmente é indicado pela letra T (veja a figura acima).

Ao considerar problemas de física sobre a força de tensão, geralmente surge um mecanismo tão simples como um bloco. Ele permite que você redirecione a força atuante T. Projetos de blocos especiais fornecem um ganho na força aplicada para levantar a carga.

O fenômeno da elasticidade

Se as deformações de um corpo sólido forem pequenas (até 1%), então, após a aplicação de uma força externa, elas desaparecem completamente. Durante esse processo, a deformação realiza trabalho, criando a chamada força elástica. Para uma mola, esse valor é descrito pela lei de Hooke. A fórmula correspondente se parece com:

Aqui x é o deslocamento da mola de seu estado de equilíbrio (deformação absoluta), k é o coeficiente. O sinal de menos na expressão mostra que a força elástica é direcionada contra qualquer deformação (tensão e compressão), ou seja, busca restaurar a posição de equilíbrio.

A razão física para o aparecimento de forças elásticas e de tensão é a mesma, consiste no aparecimento de atração ou repulsão entre os átomos de uma substância quando a distância de equilíbrio entre eles muda.

Todo mundo sabe que ao atirar de qualquer arma de fogo, ocorre o chamado recuo. Manifesta-se no fato de que a coronha de uma arma atinge o ombro do atirador, e o tanque ou arma rola para trás quando o projétil voa para fora do cano. Todas essas são manifestações do poder de doação. A fórmula para isso é semelhante à que foi dada no início do artigo ao definir o conceito de "força".

Como você pode imaginar, o motivo do aparecimento das forças de recuo é a manifestação da lei de conservação do momento do sistema. Assim, uma bala saindo do cano de uma arma carrega exatamente o momento com que a coronha atinge o atirador no ombro, como resultado, o momento total permanece constante (igual a zero para um sistema relativamente em repouso).

Existem várias leis que caracterizam os processos físicos durante os movimentos mecânicos dos corpos.

As seguintes leis básicas de forças na física são distinguidas:

• a lei da gravidade;
• a lei da gravitação universal;
• leis da força de atrito;
• a lei da força de elasticidade;
• Leis de Newton.

lei da gravidade

Observação 1

A gravidade é uma das manifestações da ação das forças gravitacionais.

A gravidade é representada como uma força que atua sobre o corpo do lado do planeta e lhe dá a aceleração de queda livre.

A queda livre pode ser considerada na forma $mg = G\frac(mM)(r^2)$, da qual obtemos a fórmula de aceleração de queda livre:

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

A fórmula para determinar a gravidade ficará assim:

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

A gravidade tem um certo vetor de propagação. Está sempre direcionado verticalmente para baixo, ou seja, para o centro do planeta. A força da gravidade atua sobre o corpo constantemente e isso significa que ele cai livremente.

A trajetória do movimento sob a ação da gravidade depende de:

• módulo da velocidade inicial do objeto;
• direção da velocidade do corpo.

O homem encontra esse fenômeno físico diariamente.

A força da gravidade também pode ser representada pela fórmula $P = mg$. Ao acelerar a queda livre, quantidades adicionais também são levadas em consideração.

Se considerarmos a lei da gravitação universal, formulada por Isaac Newton, todos os corpos têm uma certa massa. Eles são atraídos um pelo outro com força. Será chamada de força gravitacional.

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

Essa força é diretamente proporcional ao produto das massas dos dois corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.

$G = 6.7\cdot (10)^(-11)\ (H\cdot m^2)/((kg)^2\ )$, onde $G$ é a constante gravitacional e tem as medidas do sistema internacional SI valor constante.

Definição 1

Peso é a força com que o corpo atua na superfície do planeta após o aparecimento da gravidade.

Nos casos em que o corpo está em repouso ou se move uniformemente sobre uma superfície horizontal, o peso será igual à força de reação do suporte e coincidirá em valor com a magnitude da força da gravidade:

Com movimento uniformemente acelerado verticalmente, o peso será diferente da força da gravidade, com base no vetor de aceleração. Quando o vetor de aceleração é direcionado na direção oposta, ocorre uma condição de sobrecarga. Nos casos em que o corpo junto com o suporte se move com aceleração $a = g$, então o peso será igual a zero. O estado de peso zero é chamado de ausência de peso.

A força do campo gravitacional é calculada da seguinte forma:

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

O valor de $F$ é a força gravitacional que atua sobre um ponto material de massa $m$.

O corpo é colocado em um determinado ponto do campo.

A energia potencial da interação gravitacional de dois pontos materiais com massas $m_1$ e $m_2$ deve estar a uma distância $r$ um do outro.

O potencial do campo gravitacional pode ser encontrado pela fórmula:

$\varphi = \Pi / m$

Aqui $P$ é a energia potencial de um ponto material com massa $m$. É colocado em um determinado ponto no campo.

Leis da força de atrito

Observação 2

A força de atrito surge durante o movimento e é direcionada contra o deslizamento do corpo.

A força de atrito estático será proporcional à reação normal. A força de atrito estático não depende da forma e tamanho das superfícies de fricção. O coeficiente de atrito estático depende do material dos corpos que estão em contato e geram uma força de atrito. No entanto, as leis de atrito não podem ser chamadas de estáveis ​​\u200b\u200be precisas, pois vários desvios são frequentemente observados nos resultados da pesquisa.

A escrita tradicional da força de atrito envolve o uso do coeficiente de atrito ($\eta$), $N$ é a força de pressão normal.

Há também atrito externo, força de atrito de rolamento, força de atrito deslizante, força de atrito viscoso e outros tipos de atrito.

A lei da força elástica

A força elástica é igual à rigidez do corpo, que é multiplicada pela quantidade de deformação:

$F = k \cdot \Delta l$

Em nossa fórmula de força clássica para encontrar a força elástica, o lugar principal é ocupado pela rigidez do corpo ($k$) e pela deformação do corpo ($\Delta l$). A unidade de força é o newton (N).

Tal fórmula pode descrever o caso mais simples de deformação. É a chamada lei de Hooke. Diz que quando você tenta deformar o corpo de qualquer maneira possível, a força elástica tende a devolver a forma do objeto à sua forma original.

Para entender e descrever com precisão o fenômeno físico, conceitos adicionais são introduzidos. O coeficiente de elasticidade mostra a dependência de:

• propriedades dos materiais;
• tamanhos de haste.

Em particular, distingue-se a dependência das dimensões da haste ou da área e comprimento da seção transversal. Então o coeficiente de elasticidade do corpo é escrito como:

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

Em tal fórmula, a quantidade $E$ é o módulo de elasticidade do primeiro tipo. Também é chamado de módulo de Young. Reflete as características mecânicas de um determinado material.

Ao calcular barras retas, a lei de Hooke é usada na forma relativa:

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

Note-se que a aplicação da lei de Hooke será eficaz apenas para deformações relativamente pequenas. Se o nível do limite de proporcionalidade for excedido, a relação entre deformações e tensões torna-se não linear. Para alguns meios, a lei de Hooke não pode ser aplicada mesmo com pequenas deformações.