Rumus mencari gaya dalam fisika. Konsep kekuatan. Bagaimana kami membawakan susu bubuk di malam tahun baru

Kata “kekuasaan” begitu komprehensif sehingga memberikan konsep yang jelas adalah tugas yang hampir mustahil. Keanekaragaman kekuatan otot hingga kekuatan pikiran tidak mencakup keseluruhan spektrum konsep yang tercakup di dalamnya. Gaya, yang dianggap sebagai besaran fisis, memiliki arti dan definisi yang jelas. Rumus gaya menentukan model matematika: ketergantungan gaya pada parameter dasar.

Sejarah studi gaya mencakup penentuan ketergantungan pada parameter dan bukti eksperimental ketergantungan.

Kekuatan dalam Fisika

Gaya adalah ukuran interaksi benda. Aksi timbal balik benda satu sama lain sepenuhnya menggambarkan proses yang terkait dengan perubahan kecepatan atau deformasi benda.

Sebagai besaran fisika, gaya memiliki satuan ukuran (dalam sistem SI - Newton) dan alat untuk mengukurnya - dinamometer. Prinsip pengoperasian pengukur gaya didasarkan pada perbandingan gaya yang bekerja pada benda dengan gaya elastis pegas dinamometer.

Gaya sebesar 1 newton dianggap sebagai gaya yang menyebabkan benda bermassa 1 kg mengubah kecepatannya sebesar 1 m dalam 1 sekon.

Kekuatan sebagaimana didefinisikan:

• arah tindakan;
• titik aplikasi;
• modul, nilai absolut.

Saat menjelaskan interaksi, pastikan untuk menunjukkan parameter ini.

Jenis interaksi alam: gravitasi, elektromagnetik, kuat, lemah. Gravitasi universal gravitasi dengan variasinya - gravitasi) ada karena pengaruh medan gravitasi yang mengelilingi setiap benda yang bermassa. Studi tentang medan gravitasi belum selesai. Sumber lapangan belum dapat ditemukan.

Sejumlah besar gaya timbul karena interaksi elektromagnetik atom-atom penyusun suatu zat.

Kekuatan tekanan

Ketika suatu benda berinteraksi dengan Bumi, ia memberikan tekanan pada permukaannya. Gaya yang berbentuk : P = mg, ditentukan oleh massa benda (m). Percepatan gravitasi (g) memiliki nilai yang berbeda-beda pada garis lintang bumi yang berbeda.

Gaya tekanan vertikal sama besarnya dan berlawanan arah dengan gaya elastis yang timbul pada tumpuan. Rumus gaya berubah tergantung pada pergerakan benda.

Perubahan berat badan

Tindakan suatu benda terhadap tumpuan akibat interaksi dengan bumi sering disebut dengan berat badan. Menariknya, besarnya berat badan bergantung pada percepatan gerakan dalam arah vertikal. Dalam kasus di mana arah percepatan berlawanan dengan percepatan gravitasi, terjadi peningkatan berat. Jika percepatan benda bertepatan dengan arah jatuh bebas, maka berat benda berkurang. Misalnya saat berada di dalam lift yang menanjak, pada awal pendakian seseorang merasakan penambahan berat badan selama beberapa waktu. Tidak perlu dikatakan bahwa massanya berubah. Pada saat yang sama, kami memisahkan konsep "berat benda" dan "massa" nya.

Kekuatan elastis

Ketika bentuk suatu benda berubah (deformasi), timbul gaya yang cenderung mengembalikan benda tersebut ke bentuk semula. Gaya ini diberi nama “gaya elastisitas”. Itu muncul sebagai akibat interaksi listrik dari partikel-partikel yang menyusun tubuh.

Mari kita pertimbangkan deformasi paling sederhana: tegangan dan kompresi. Ketegangan disertai dengan peningkatan dimensi linier benda, kompresi - dengan penurunannya. Nilai yang mengkarakterisasi proses ini disebut pemanjangan tubuh. Mari kita nyatakan "x". Rumus gaya elastis berhubungan langsung dengan perpanjangan. Setiap benda yang mengalami deformasi memiliki parameter geometris dan fisiknya masing-masing. Ketergantungan ketahanan elastis terhadap deformasi pada sifat-sifat benda dan bahan pembuatnya ditentukan oleh koefisien elastisitas, sebut saja kekakuan (k).

Model matematika interaksi elastis dijelaskan oleh hukum Hooke.

Gaya yang timbul selama deformasi suatu benda diarahkan melawan arah perpindahan masing-masing bagian benda dan berbanding lurus dengan perpanjangannya:

• F y = -kx (dalam notasi vektor).

Tanda “-” menunjukkan arah deformasi dan gaya yang berlawanan.

Dalam bentuk skalar tidak ada tanda negatif. Gaya elastis yang rumusnya berbentuk F y = kx sebagai berikut, hanya digunakan untuk deformasi elastis.

Interaksi medan magnet dengan arus

Pengaruh medan magnet pada arus searah dijelaskan. Dalam hal ini, gaya yang bekerja pada medan magnet pada konduktor dengan arus yang ditempatkan di dalamnya disebut gaya Ampere.

Interaksi medan magnet dengan menyebabkan manifestasi gaya. Gaya Ampere yang rumusnya F = IBlsinα bergantung pada (B), panjang bagian aktif penghantar (l), (I) pada penghantar dan sudut antara arah arus dengan induksi magnet .

Karena ketergantungan yang terakhir, dapat dikatakan bahwa vektor aksi medan magnet dapat berubah ketika konduktor diputar atau arah arus berubah. Aturan tangan kiri memungkinkan Anda menentukan arah tindakan. Jika tangan kiri diposisikan sedemikian rupa sehingga vektor induksi magnet masuk ke telapak tangan, keempat jari diarahkan sepanjang arus dalam penghantar, maka ibu jari yang ditekuk 90° akan menunjukkan arah medan magnet.

Umat ​​​​manusia telah menemukan penerapan efek ini, misalnya pada motor listrik. Rotasi rotor disebabkan oleh medan magnet yang diciptakan oleh elektromagnet yang kuat. Rumus gaya memungkinkan Anda menilai kemungkinan perubahan tenaga mesin. Ketika arus atau kekuatan medan meningkat, torsi meningkat, yang menyebabkan peningkatan tenaga motor.

Lintasan partikel

Interaksi medan magnet dengan muatan banyak digunakan dalam spektograf massa dalam studi partikel elementer.

Aksi medan dalam hal ini menyebabkan munculnya suatu gaya yang disebut gaya Lorentz. Ketika sebuah partikel bermuatan yang bergerak dengan kecepatan tertentu memasuki medan magnet yang rumusnya berbentuk F = vBqsinα, menyebabkan partikel tersebut bergerak melingkar.

Dalam model matematika ini, v adalah modulus kecepatan partikel yang bermuatan listrik q, B adalah induksi medan magnet, α adalah sudut antara arah kecepatan dan induksi magnet.

Partikel bergerak melingkar (atau busur lingkaran), karena gaya dan kecepatan berarah pada sudut 90° satu sama lain. Mengubah arah kecepatan linier menyebabkan munculnya percepatan.

Aturan tangan kiri yang dibahas di atas juga berlaku ketika mempelajari gaya Lorentz: jika tangan kiri diposisikan sedemikian rupa sehingga vektor induksi magnet masuk ke telapak tangan, empat jari yang direntangkan membentuk garis diarahkan sepanjang kecepatan a partikel bermuatan positif, kemudian ibu jari dibengkokkan 90° akan menunjukkan arah gaya.

Masalah plasma

Interaksi medan magnet dan materi digunakan dalam siklotron. Masalah yang terkait dengan studi laboratorium plasma tidak memungkinkannya disimpan dalam wadah tertutup. Tinggi hanya bisa ada pada suhu tinggi. Plasma dapat disimpan di satu tempat di ruang angkasa dengan menggunakan medan magnet, memutar gas dalam bentuk cincin. Yang terkontrol juga dapat dipelajari dengan memutar plasma bersuhu tinggi menjadi kabel menggunakan medan magnet.

Contoh pengaruh medan magnet dalam kondisi alami terhadap gas terionisasi adalah Aurora Borealis. Pemandangan megah ini terlihat di atas Lingkaran Arktik pada ketinggian 100 km di atas permukaan bumi. Cahaya gas berwarna-warni yang misterius hanya dapat dijelaskan pada abad ke-20. Medan magnet bumi di dekat kutub tidak mampu menghalangi masuknya angin matahari ke atmosfer. Radiasi paling aktif yang diarahkan sepanjang garis induksi magnet menyebabkan ionisasi atmosfer.

Fenomena yang berhubungan dengan pergerakan muatan

Secara historis, besaran utama yang mencirikan aliran arus dalam suatu penghantar disebut kuat arus. Menariknya, konsep ini tidak ada hubungannya dengan gaya dalam fisika. Kuat arus yang rumusnya meliputi muatan yang mengalir per satuan waktu melalui penampang penghantar, berbentuk:

• I = q/t, dimana t adalah waktu aliran muatan q.

Faktanya, arus adalah besarnya biaya. Satuan ukurannya adalah Ampere (A), bukan N.

Definisi kerja paksa

Gaya yang diberikan pada suatu zat disertai dengan pelaksanaan kerja. Kerja suatu gaya adalah besaran fisis yang secara numerik sama dengan hasil kali gaya dan perpindahan yang terjadi akibat aksinya dan kosinus sudut antara arah gaya dan perpindahan.

Kerja gaya yang diperlukan, yang rumusnya A = FScosα, mencakup besar gaya.

Aksi suatu benda disertai dengan perubahan kecepatan atau deformasi benda, yang menunjukkan perubahan energi secara simultan. Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya secara langsung bergantung pada besarnya.

Penting untuk mengetahui titik penerapan dan arah masing-masing gaya. Penting untuk dapat menentukan gaya mana yang bekerja pada benda dan ke arah mana. Gaya dilambangkan sebagai , diukur dalam Newton. Untuk membedakan gaya-gaya, gaya-gaya tersebut ditetapkan sebagai berikut

Di bawah ini adalah kekuatan-kekuatan utama yang bekerja di alam. Tidak mungkin menciptakan kekuatan yang tidak ada saat memecahkan masalah!

Ada banyak kekuatan di alam. Di sini kita mempertimbangkan gaya-gaya yang dipertimbangkan dalam mata pelajaran fisika sekolah ketika mempelajari dinamika. Kekuatan-kekuatan lain juga disebutkan, yang akan dibahas pada bagian lain.

Gaya berat

Setiap benda di planet ini dipengaruhi oleh gravitasi bumi. Kekuatan bumi menarik setiap benda ditentukan oleh rumus

Titik penerapannya adalah pada pusat gravitasi tubuh. Gaya berat selalu diarahkan secara vertikal ke bawah.

Gaya gesekan

Mari berkenalan dengan gaya gesekan. Gaya ini terjadi ketika benda bergerak dan dua permukaan bersentuhan. Gaya tersebut muncul dari kenyataan bahwa permukaan, jika dilihat di bawah mikroskop, tidak semulus yang terlihat. Gaya gesekan ditentukan dengan rumus:

Gaya diterapkan pada titik kontak dua permukaan. Diarahkan ke arah yang berlawanan dengan gerakan.

Gaya reaksi tanah

Bayangkan sebuah benda yang sangat berat tergeletak di atas meja. Meja tertekuk karena beban benda. Namun menurut hukum ketiga Newton, meja bekerja pada benda dengan gaya yang sama persis dengan gaya yang bekerja pada benda di atas meja. Gaya tersebut arahnya berlawanan dengan gaya yang digunakan benda untuk menekan meja. Artinya, naik. Gaya ini disebut reaksi dasar. Nama kekuatan "berbicara" dukungan bereaksi. Gaya ini terjadi setiap kali ada dampak pada support. Sifat kejadiannya pada tingkat molekuler. Objek tersebut tampaknya merusak posisi dan hubungan molekul-molekul yang biasa (di dalam tabel), mereka, pada gilirannya, berusaha untuk kembali ke keadaan semula, “melawan.”

Benar-benar benda apa pun, bahkan benda yang sangat ringan (misalnya, pensil yang tergeletak di atas meja), merusak bentuk penyangga pada tingkat mikro. Oleh karena itu, terjadi reaksi dasar.

Tidak ada rumus khusus untuk mencari gaya ini. Dilambangkan dengan huruf , tetapi gaya ini hanyalah salah satu jenis gaya elastisitas tersendiri, sehingga dapat juga dilambangkan sebagai

Gaya diterapkan pada titik kontak benda dengan tumpuan. Diarahkan tegak lurus terhadap penyangga.

Karena kita merepresentasikan benda sebagai titik material, gaya dapat direpresentasikan dari pusat

Kekuatan elastis

Gaya ini timbul akibat deformasi (perubahan keadaan awal suatu zat). Misalnya, saat kita meregangkan pegas, kita menambah jarak antar molekul bahan pegas. Saat kita menekan pegas, kita mengecilkannya. Saat kita memutar atau menggeser. Dalam semua contoh ini, timbul gaya yang mencegah deformasi - gaya elastis.

hukum Hooke

Gaya elastis berlawanan arah dengan deformasi.

Karena kita merepresentasikan benda sebagai titik material, gaya dapat direpresentasikan dari pusat

Saat menyambung pegas secara seri, misalnya, kekakuan dihitung menggunakan rumus

Ketika dihubungkan secara paralel, kekakuannya

Kekakuan sampel. modulus Young.

Modulus Young mencirikan sifat elastis suatu zat. Ini adalah nilai konstan yang hanya bergantung pada material dan keadaan fisiknya. Mencirikan kemampuan suatu material untuk menahan deformasi tarik atau tekan. Nilai modulus Young berbentuk tabel.

Baca lebih lanjut tentang sifat-sifat benda padat.

Berat badan

Berat badan adalah gaya yang digunakan suatu benda untuk bekerja pada suatu tumpuan. Anda bilang, inilah gaya gravitasi! Kebingungan muncul sebagai berikut: memang, sering kali berat suatu benda sama dengan gaya gravitasi, tetapi gaya-gaya ini sama sekali berbeda. Gravitasi merupakan suatu gaya yang timbul akibat interaksi dengan Bumi. Berat adalah hasil interaksi dengan dukungan. Gaya gravitasi diterapkan pada pusat gravitasi benda, sedangkan berat adalah gaya yang diterapkan pada tumpuan (bukan pada benda)!

Tidak ada rumus untuk menentukan berat badan. Kekuatan ini ditunjukkan dengan surat itu.

Gaya reaksi tumpuan atau gaya elastis timbul sebagai akibat tumbukan suatu benda terhadap suspensi atau tumpuan, oleh karena itu berat benda secara numerik selalu sama dengan gaya elastis, tetapi arahnya berlawanan.

Gaya reaksi tumpuan dan berat adalah gaya-gaya yang sifatnya sama, menurut hukum ke-3 Newton, keduanya sama besar dan arahnya berlawanan. Berat adalah gaya yang bekerja pada tumpuan, bukan pada benda. Gaya gravitasi bekerja pada tubuh.

Berat badan mungkin tidak sama dengan gravitasi. Mungkin lebih atau kurang, atau mungkin bobotnya nol. Kondisi ini disebut tanpa bobot. Keadaan tanpa bobot adalah keadaan ketika suatu benda tidak berinteraksi dengan suatu tumpuan, misalnya keadaan terbang: ada gravitasi, tetapi beratnya nol!

Arah percepatan dapat ditentukan jika kita menentukan ke mana arah gaya resultan

Harap dicatat bahwa berat adalah gaya, diukur dalam Newton. Bagaimana menjawab pertanyaan: “Berapa berat badan Anda” dengan benar? Kami menjawab 50 kg, bukan menyebutkan berat kami, tetapi massa kami! Dalam contoh ini, berat kita sama dengan gravitasi, yaitu kira-kira 500N!

Kelebihan muatan- rasio berat terhadap gravitasi

kekuatan Archimedes

Gaya timbul sebagai akibat interaksi suatu benda dengan zat cair (gas), ketika benda tersebut dicelupkan ke dalam zat cair (atau gas). Gaya ini mendorong benda keluar dari air (gas). Oleh karena itu diarahkan secara vertikal ke atas (mendorong). Ditentukan dengan rumus:

Di udara kita mengabaikan kekuatan Archimedes.

Jika gaya Archimedes sama dengan gaya gravitasi, maka benda akan terapung. Jika gaya Archimedes lebih besar maka ia naik ke permukaan zat cair, jika lebih kecil maka ia tenggelam.

Kekuatan listrik

Ada kekuatan yang berasal dari listrik. Terjadi dengan adanya muatan listrik. Gaya-gaya tersebut seperti gaya Coulomb, gaya Ampere, gaya Lorentz dibahas secara rinci pada bagian Listrik.

Penunjukan skema gaya yang bekerja pada suatu benda

Seringkali tubuh dimodelkan sebagai titik material. Oleh karena itu, dalam diagram, berbagai titik penerapan dipindahkan ke satu titik - ke pusat, dan benda digambarkan secara skematis sebagai lingkaran atau persegi panjang.

Untuk menentukan gaya dengan benar, perlu untuk membuat daftar semua benda yang berinteraksi dengan benda yang diteliti. Tentukan apa yang terjadi sebagai akibat interaksi dengan masing-masing: gesekan, deformasi, tarik-menarik, atau mungkin tolak-menolak. Tentukan jenis gaya dan tunjukkan arahnya dengan benar. Perhatian! Besarnya gaya akan sesuai dengan jumlah benda yang mengalami interaksi.

Hal utama yang perlu diingat

1) Kekuatan dan sifatnya;
2) Arah kekuatan;
3) Mampu mengidentifikasi kekuatan-kekuatan yang bertindak

Bedakan antara gesekan luar (kering) dan dalam (kental). Gesekan eksternal terjadi antara permukaan padat yang bersentuhan, gesekan internal terjadi antara lapisan cairan atau gas selama gerak relatifnya. Ada tiga jenis gesekan luar: gesekan statis, gesekan geser, dan gesekan menggelinding.

Gesekan menggelinding ditentukan oleh rumus

Gaya hambatan terjadi ketika suatu benda bergerak dalam zat cair atau gas. Besarnya gaya hambatan tergantung pada ukuran dan bentuk benda, kecepatan geraknya dan sifat-sifat zat cair atau gas. Pada gerak kecepatan rendah, gaya hambat sebanding dengan kecepatan benda

Pada kecepatan tinggi sebanding dengan kuadrat kecepatan

Mari kita perhatikan gaya tarik-menarik antara suatu benda dan Bumi. Di antara mereka, menurut hukum gravitasi, timbul gaya

Sekarang mari kita bandingkan hukum gravitasi dan gaya gravitasi

Besarnya percepatan gravitasi bergantung pada massa bumi dan jari-jarinya! Dengan demikian, dimungkinkan untuk menghitung berapa percepatan benda akan jatuh di Bulan atau di planet lain, dengan menggunakan massa dan jari-jari planet tersebut.

Jarak pusat bumi ke kutub lebih kecil dibandingkan ke khatulistiwa. Oleh karena itu, percepatan gravitasi di ekuator sedikit lebih kecil dibandingkan di kutub. Pada saat yang sama, perlu dicatat bahwa alasan utama ketergantungan percepatan gravitasi pada garis lintang suatu wilayah adalah fakta rotasi bumi pada porosnya.

Saat kita menjauh dari permukaan bumi, gaya gravitasi dan percepatan gravitasi berubah berbanding terbalik dengan kuadrat jarak ke pusat bumi.

1.Kekuatan- vektor kuantitas fisik, yang merupakan ukuran intensitas dampak terhadap suatu hal tubuh badan lain, serta bidang Terlampir secara besar-besaran kekuatan dalam tubuh adalah alasan perubahannya kecepatan atau kejadian di dalamnya deformasi dan tekanan.

Gaya dicirikan sebagai besaran vektor modul, arah Dan "titik" aplikasi kekuatan. Pada parameter terakhir, konsep gaya sebagai vektor dalam fisika berbeda dengan konsep vektor dalam aljabar vektor, dimana vektor yang besar dan arahnya sama, terlepas dari titik penerapannya, dianggap sebagai vektor yang sama. Dalam fisika, vektor-vektor ini disebut vektor bebas. Dalam mekanika, gagasan tentang vektor-vektor berpasangan sangat umum, yang permulaannya ditetapkan pada suatu titik tertentu dalam ruang atau dapat terletak pada suatu garis yang melanjutkan arah vektor tersebut (vektor geser).

Konsep tersebut juga digunakan garis kekuatan, yang menyatakan garis lurus yang melalui titik penerapan gaya yang dilalui gaya tersebut.

Hukum kedua Newton menyatakan bahwa dalam kerangka acuan inersia, percepatan suatu titik material dalam arahnya bertepatan dengan resultan semua gaya yang diterapkan pada benda, dan besarnya berbanding lurus dengan besarnya gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda. poin materi. Atau, secara ekuivalen, laju perubahan momentum suatu titik material sama dengan gaya yang diterapkan.

Ketika suatu gaya diterapkan pada benda berdimensi terbatas, tekanan mekanis muncul di dalamnya, disertai dengan deformasi.

Dari sudut pandang Model Standar fisika partikel, interaksi fundamental (gravitasi, lemah, elektromagnetik, kuat) dilakukan melalui pertukaran yang disebut boson pengukur. Eksperimen fisika energi tinggi dilakukan pada tahun 70−80an. abad XX membenarkan asumsi bahwa interaksi lemah dan elektromagnetik adalah manifestasi dari interaksi elektrolemah yang lebih mendasar.

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

2.Hukum pertama Newton.

Hukum pertama Newton menyatakan bahwa ada kerangka acuan di mana benda-benda mempertahankan keadaan diam atau gerak lurus beraturan tanpa adanya tindakan dari benda lain atau dalam kasus saling kompensasi dari pengaruh-pengaruh ini. Sistem referensi seperti ini disebut inersia. Newton mengusulkan bahwa setiap benda masif mempunyai cadangan inersia tertentu, yang mencirikan “keadaan alami” gerak benda tersebut. Gagasan ini menolak pandangan Aristoteles yang menganggap istirahat sebagai “keadaan alami” suatu benda. Hukum pertama Newton bertentangan dengan fisika Aristotelian, yang salah satu ketentuannya adalah pernyataan bahwa suatu benda dapat bergerak dengan kecepatan konstan hanya di bawah pengaruh gaya. Fakta bahwa dalam mekanika Newton dalam kerangka acuan inersia, keadaan diam secara fisik tidak dapat dibedakan dari gerak lurus beraturan merupakan dasar pemikiran prinsip relativitas Galileo. Di antara sekumpulan benda, pada dasarnya tidak mungkin untuk menentukan mana yang “bergerak” dan mana yang “diam”. Kita hanya dapat berbicara tentang gerak relatif terhadap suatu sistem referensi. Hukum mekanika dipenuhi secara merata di semua kerangka acuan inersia, dengan kata lain, semuanya setara secara mekanis. Yang terakhir ini mengikuti apa yang disebut transformasi Galilea.

3.Hukum kedua Newton.

Hukum kedua Newton dalam rumusan modernnya berbunyi seperti ini: dalam kerangka acuan inersia, laju perubahan momentum suatu titik material sama dengan jumlah vektor semua gaya yang bekerja pada titik tersebut.

dimana adalah momentum titik material, adalah gaya total yang bekerja pada titik material. Hukum kedua Newton menyatakan bahwa aksi gaya-gaya yang tidak seimbang menyebabkan perubahan momentum suatu titik material.

Menurut definisi momentum:

di mana massa, adalah kecepatan.

Dalam mekanika klasik, pada kecepatan yang jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya, massa suatu titik material dianggap tidak berubah, yang memungkinkannya dikeluarkan dari tanda diferensial dalam kondisi berikut:

Mengingat definisi percepatan suatu titik, hukum kedua Newton berbentuk:

Rumus ini dianggap sebagai "rumus paling terkenal kedua dalam fisika", meskipun Newton sendiri tidak pernah secara eksplisit menulis hukum keduanya dalam bentuk ini. Bentuk hukum ini pertama kali ditemukan dalam karya K. Maclaurin dan L. Euler.

Karena dalam kerangka acuan inersia mana pun percepatan benda adalah sama dan tidak berubah ketika berpindah dari satu kerangka ke kerangka lainnya, maka gaya adalah invarian terhadap transisi tersebut.

Dalam semua fenomena alam kekuatan, terlepas dari asal Anda, hanya muncul dalam arti mekanis, yaitu sebagai penyebab terjadinya pelanggaran gerak beraturan dan lurus suatu benda pada sistem koordinat inersia. Pernyataan sebaliknya, yaitu menetapkan fakta adanya gerakan tersebut, tidak menunjukkan tidak adanya gaya yang bekerja pada benda, tetapi hanya bahwa kerja gaya-gaya tersebut saling seimbang. Jika tidak: jumlah vektornya adalah vektor dengan modulus sama dengan nol. Hal ini menjadi dasar untuk mengukur besarnya suatu gaya ketika gaya tersebut dikompensasi oleh suatu gaya yang besarnya diketahui.

Hukum kedua Newton memungkinkan kita mengukur besarnya suatu gaya. Misalnya, pengetahuan tentang massa suatu planet dan percepatan sentripetalnya ketika bergerak dalam orbit memungkinkan kita menghitung besarnya gaya tarik gravitasi Matahari yang bekerja pada planet tersebut.

4.Hukum ketiga Newton.

Untuk dua benda apa pun (sebut saja benda 1 dan benda 2), hukum ketiga Newton menyatakan bahwa gaya kerja benda 1 pada benda 2 disertai dengan munculnya gaya yang sama besarnya, tetapi berlawanan arah, yang bekerja pada benda tersebut. 1 dari badan 2. Secara matematis hukumnya ditulis Jadi:

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

Artinya tidak ada gaya dalam yang tidak seimbang dalam sistem tertutup. Hal ini mengarah pada fakta bahwa pusat massa suatu sistem tertutup (yaitu, sistem yang tidak dipengaruhi oleh gaya luar) tidak dapat bergerak dengan percepatan. Masing-masing bagian sistem dapat mengalami percepatan, tetapi hanya sedemikian rupa sehingga sistem secara keseluruhan tetap dalam keadaan diam atau gerak linier beraturan. Namun, jika gaya luar bekerja pada sistem, pusat massanya akan mulai bergerak dengan percepatan yang sebanding dengan gaya resultan luar dan berbanding terbalik dengan massa sistem.

5. Gravitasi.

gravitasi ( gaya berat) - interaksi universal antara semua jenis materi. Dalam kerangka mekanika klasik dijelaskan oleh hukum gravitasi universal yang dirumuskan oleh Isaac Newton dalam karyanya “Prinsip Matematika Filsafat Alam”. Newton memperoleh besarnya percepatan pergerakan Bulan mengelilingi Bumi, dengan asumsi dalam perhitungannya bahwa gaya gravitasi berkurang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari benda gravitasi. Selain itu, ia juga menemukan bahwa percepatan yang disebabkan oleh gaya tarik-menarik suatu benda terhadap benda lain sebanding dengan hasil kali massa benda-benda tersebut. Berdasarkan dua kesimpulan tersebut, maka dirumuskan hukum gravitasi: setiap partikel material tertarik satu sama lain dengan gaya yang berbanding lurus dengan hasil kali massa ( dan ) dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:

Berikut adalah konstanta gravitasi yang nilainya pertama kali diperoleh Henry Cavendish dalam eksperimennya. Dengan menggunakan hukum ini, Anda dapat memperoleh rumus untuk menghitung gaya gravitasi benda yang bentuknya berubah-ubah. Teori gravitasi Newton dengan baik menggambarkan pergerakan planet-planet di tata surya dan banyak benda langit lainnya. Namun, hal ini didasarkan pada konsep aksi jangka panjang, yang bertentangan dengan teori relativitas. Oleh karena itu, teori gravitasi klasik tidak dapat diterapkan untuk menggambarkan gerak benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, medan gravitasi benda yang sangat masif (misalnya lubang hitam), serta medan gravitasi variabel yang diciptakan olehnya. memindahkan benda pada jarak yang jauh darinya.

Teori gravitasi yang lebih umum adalah teori relativitas umum Albert Einstein. Di dalamnya, gravitasi tidak dicirikan oleh gaya invarian yang tidak bergantung pada kerangka acuan. Sebaliknya, gerak bebas suatu benda dalam medan gravitasi, yang dianggap oleh pengamat sebagai gerak sepanjang lintasan lengkung dalam ruang-waktu tiga dimensi dengan kecepatan yang bervariasi, dianggap sebagai gerak inersia sepanjang garis geodesik dalam ruang-waktu empat dimensi yang melengkung. , di mana waktu mengalir secara berbeda pada titik yang berbeda. Terlebih lagi, garis ini dalam artian “yang paling langsung” - garis ini sedemikian rupa sehingga interval ruang-waktu (waktu yang tepat) antara dua posisi ruang-waktu dari suatu benda adalah maksimum. Kelengkungan ruang bergantung pada massa benda, serta semua jenis energi yang ada dalam sistem.

6. Medan elektrostatis (bidang muatan stasioner).

Perkembangan ilmu fisika setelah Newton menambahkan pada tiga besaran pokok (panjang, massa, waktu) muatan listrik berdimensi C. Namun berdasarkan syarat praktek, mereka mulai menggunakan bukan satuan muatan, melainkan satuan listrik. arus sebagai satuan pengukuran utama. Jadi, dalam sistem SI, satuan dasarnya adalah ampere, dan satuan muatan, coulomb, adalah turunannya.

Karena muatan, dengan demikian, tidak ada secara independen dari benda yang membawanya, interaksi listrik benda memanifestasikan dirinya dalam bentuk gaya yang sama seperti yang dipertimbangkan dalam mekanika, yang menyebabkan percepatan. Sehubungan dengan interaksi elektrostatik dua muatan titik yang besarnya dan terletak dalam ruang hampa, digunakan hukum Coulomb. Dalam bentuk yang sesuai dengan sistem SI, tampilannya seperti:

dimana adalah gaya yang bekerja pada muatan 1 pada muatan 2, adalah vektor yang diarahkan dari muatan 1 ke muatan 2 dan besarnya sama dengan jarak antar muatan, dan merupakan konstanta listrik sama dengan ≈ 8.854187817 10 −12 F/m . Ketika muatan ditempatkan dalam media homogen dan isotropik, gaya interaksi berkurang sebesar ε, di mana ε adalah konstanta dielektrik medium.

Gaya diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan muatan titik. Secara grafis, medan elektrostatik biasanya digambarkan sebagai gambaran garis-garis gaya, yang merupakan lintasan imajiner yang dilalui oleh partikel bermuatan tanpa massa. Garis-garis ini dimulai pada satu muatan dan berakhir pada muatan lainnya.

7. Medan elektromagnetik (medan arus searah).

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

Oersted menetapkan bahwa arus yang mengalir melalui konduktor menyebabkan pembelokan jarum magnet.

Faraday sampai pada kesimpulan bahwa medan magnet tercipta di sekitar konduktor pembawa arus.

Ampere mengajukan hipotesis, yang diakui dalam fisika, sebagai model proses munculnya medan magnet, yang terdiri dari adanya arus tertutup mikroskopis dalam material, yang bersama-sama memberikan efek magnetisme alami atau induksi.

Ampere menetapkan bahwa dalam kerangka acuan yang terletak dalam ruang hampa, dalam kaitannya dengan muatan yang bergerak, yaitu berperilaku seperti arus listrik, timbul medan magnet, yang intensitasnya ditentukan oleh vektor induksi magnet yang terletak di sebuah bidang yang letaknya tegak lurus terhadap arah pergerakan muatan.

Satuan ukuran induksi magnet adalah tesla: 1 T = 1 T kg s −2 A −2
Masalahnya diselesaikan secara kuantitatif oleh Ampere, yang mengukur kekuatan interaksi dua konduktor paralel dengan arus yang mengalir melaluinya. Salah satu konduktor menciptakan medan magnet di sekelilingnya, konduktor kedua bereaksi terhadap medan ini dengan mendekati atau menjauh dengan gaya yang dapat diukur, mengetahui yang mana dan besarnya arus yang memungkinkan untuk menentukan modulus vektor induksi magnet.

Interaksi gaya antara muatan listrik yang tidak bergerak relatif satu sama lain dijelaskan oleh hukum Coulomb. Namun, muatan yang bergerak relatif satu sama lain menciptakan medan magnet, yang melaluinya arus yang dihasilkan oleh pergerakan muatan umumnya masuk ke dalam interaksi gaya.

Perbedaan mendasar antara gaya yang timbul selama pergerakan relatif muatan dan ketika muatan ditempatkan secara stasioner adalah perbedaan geometri gaya-gaya tersebut. Untuk kasus elektrostatika, gaya interaksi antara dua muatan diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan keduanya. Oleh karena itu, geometri masalahnya adalah dua dimensi dan pertimbangannya dilakukan pada bidang yang melalui garis tersebut.

Dalam kasus arus, gaya yang menjadi ciri medan magnet yang diciptakan oleh arus terletak pada bidang yang tegak lurus terhadap arus. Oleh karena itu, gambaran fenomena tersebut menjadi tiga dimensi. Medan magnet yang diciptakan oleh elemen arus pertama yang sangat kecil, berinteraksi dengan elemen yang sama dari arus kedua, umumnya menciptakan gaya yang bekerja padanya. Selain itu, untuk kedua arus, gambaran ini sepenuhnya simetris dalam arti bahwa penomoran arus dapat berubah-ubah.

Hukum interaksi arus digunakan untuk membakukan arus listrik searah.

8. Interaksi yang kuat.

Gaya kuat adalah interaksi mendasar jangka pendek antara hadron dan quark. Dalam inti atom, gaya kuat menyatukan proton-proton yang bermuatan positif (mengalami tolakan elektrostatis) melalui pertukaran pi meson antar nukleon (proton dan neutron). Pi meson mempunyai umur yang sangat pendek; umurnya hanya cukup untuk menghasilkan gaya nuklir dalam radius inti, itulah sebabnya gaya nuklir disebut jarak pendek. Peningkatan jumlah neutron “mencairkan” inti, mengurangi gaya elektrostatis dan meningkatkan gaya nuklir, tetapi dengan jumlah neutron yang banyak, mereka sendiri, sebagai fermion, mulai mengalami tolakan karena prinsip Pauli. Selain itu, ketika nukleon terlalu dekat, pertukaran boson W dimulai, menyebabkan tolakan, sehingga inti atom tidak “runtuh”.

Di dalam hadron itu sendiri, interaksi yang kuat menyatukan quark - bagian penyusun hadron. Kuanta medan kuat adalah gluon. Setiap quark memiliki salah satu dari tiga muatan “warna”, setiap gluon terdiri dari pasangan “warna” – “antiwarna”. Gluon mengikat quark dalam apa yang disebut. “kurungan”, yang menyebabkan quark bebas belum teramati dalam percobaan saat ini. Ketika quark menjauh satu sama lain, energi ikatan gluon meningkat, dan tidak berkurang seperti pada interaksi nuklir. Dengan menghabiskan banyak energi (dengan menumbuk hadron dalam akselerator), ikatan quark-gluon dapat diputus, tetapi pada saat yang sama semburan hadron baru dilepaskan. Namun, quark bebas bisa ada di luar angkasa: jika beberapa quark berhasil menghindari pengurungan selama Big Bang, maka kemungkinan pemusnahan dengan antiquark yang sesuai atau berubah menjadi hadron tak berwarna untuk quark tersebut semakin kecil.

9. Interaksi yang lemah.

Interaksi lemah merupakan interaksi jangka pendek yang mendasar. Rentang 10 −18 m.Simetris sehubungan dengan kombinasi inversi spasial dan konjugasi muatan. Semua elemen fundamental terlibat dalam interaksi lemah.fermion (lepton Dan quark). Ini adalah satu-satunya interaksi yang melibatkanneutrino(tidak dihitung gaya berat, dapat diabaikan dalam kondisi laboratorium), yang menjelaskan kemampuan penetrasi partikel-partikel ini yang sangat besar. Interaksi yang lemah memungkinkan lepton, quark dan sejenisnyaantipartikel menukarkan energi, massa, muatan listrik Dan bilangan kuantum- yaitu, berubah menjadi satu sama lain. Salah satu manifestasinya adalahpeluruhan beta.

DEFINISI

Kekuatan adalah besaran vektor yang merupakan ukuran kerja benda atau medan lain pada suatu benda, yang mengakibatkan terjadinya perubahan keadaan benda tersebut. Dalam hal ini perubahan keadaan berarti perubahan atau deformasi.

Konsep gaya mengacu pada dua benda. Anda selalu dapat menunjukkan benda tempat gaya bekerja dan benda tempat gaya bekerja.

Kekuatan ditandai dengan:

• modul;
• arah;
• titik aplikasi.

Besaran dan arah gaya tidak bergantung pada pilihan.

Satuan gaya dalam sistem C adalah 1 Newton.

Di alam, tidak ada benda material yang berada di luar pengaruh benda lain, dan oleh karena itu, semua benda berada di bawah pengaruh kekuatan eksternal atau internal.

Beberapa gaya dapat bekerja pada suatu benda secara bersamaan. Dalam hal ini, prinsip independensi tindakan berlaku: tindakan masing-masing kekuatan tidak bergantung pada ada atau tidaknya kekuatan lain; aksi gabungan beberapa gaya sama dengan jumlah aksi independen masing-masing gaya.

Kekuatan yang dihasilkan

Untuk menggambarkan gerak suatu benda dalam hal ini digunakan konsep gaya resultan.

DEFINISI

Kekuatan yang dihasilkan adalah gaya yang aksinya menggantikan aksi semua gaya yang diterapkan pada benda. Atau, dengan kata lain, resultan semua gaya yang diterapkan pada benda sama dengan jumlah vektor gaya-gaya tersebut (Gbr. 1).

Gambar.1. Penentuan gaya resultan

Karena pergerakan suatu benda selalu dipertimbangkan dalam beberapa sistem koordinat, akan lebih mudah untuk mempertimbangkan bukan gaya itu sendiri, tetapi proyeksinya ke sumbu koordinat (Gbr. 2, a). Bergantung pada arah gaya, proyeksinya bisa positif (Gbr. 2, b) atau negatif (Gbr. 2, c).

Gambar.2. Proyeksi gaya pada sumbu koordinat: a) pada bidang; b) pada garis lurus (proyeksinya positif);
c) pada garis lurus (proyeksi negatif)

Gambar.3. Contoh yang menggambarkan penambahan gaya vektor

Kita sering melihat contoh yang menggambarkan penambahan gaya vektor: sebuah lampu digantung pada dua kabel (Gbr. 3, a) - dalam hal ini, keseimbangan dicapai karena fakta bahwa resultan gaya tegangan dikompensasi oleh berat gaya. lampu; balok meluncur ke bawah bidang miring (Gbr. 3, b) - pergerakan terjadi karena gaya resultan gesekan, gravitasi, dan reaksi tumpuan. Kalimat terkenal dari dongeng karya I.A. Krylov "dan keretanya masih di sana!" - juga ilustrasi persamaan resultan tiga gaya dengan nol (Gbr. 3, c).

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

Dalam fisika, konsep “gaya” sangat sering digunakan: gaya gravitasi, gaya tolak menolak, gaya elektromagnetik, dll. Ada kesan yang menyesatkan bahwa gaya adalah sesuatu yang mempengaruhi benda dan ada dengan sendirinya.

Dari manakah kekuatan sebenarnya berasal, dan apakah sebenarnya kekuatan itu?

Mari kita lihat konsep ini dengan menggunakan suara sebagai contoh. Saat kita bernyanyi, kita dapat memvariasikan kekuatan suara yang dipancarkan, mis. volume. Untuk melakukan ini, kami meningkatkan kecepatan pernafasan dan mempersempit ruang antara pita suara. Apa yang terjadi? Laju perubahan kondisi pita suara meningkat. Suara dibagi menjadi rendah dan tinggi. Apa perbedaannya satu sama lain? Suaranya terdengar rendah ketika laju perubahannya menurun secara bertahap, dan menjadi tinggi ketika, sebaliknya, meningkat menjelang akhir pernafasan.

Semua alat musik dibuat dengan prinsip yang sama. Semuanya memungkinkan Anda memvariasikan rasio instrumen sedemikian rupa untuk mengubah kecepatan dan arah perubahannya, atau untuk menggabungkan suara dengan parameter berbeda, seperti dalam string.

Dalam sistem alam mana pun, perubahan keadaan terus-menerus terjadi. Kita mengasosiasikan energi dan kekuatan dengan tingkat perubahan keadaan yang tinggi, dan istirahat serta keadaan statis dengan energi yang rendah tetapi gravitasi yang tinggi.

Konsep gaya diperlukan bagi kita ketika kita mempertimbangkan pengaruh suatu benda terhadap benda lain. Namun jika kita mempertimbangkan sistem secara keseluruhan, maka alih-alih gaya, kita berbicara tentang laju perubahan keadaan sistem. Namun apa yang menyebabkan perubahan kecepatan tersebut?

Sistem apa pun adalah proses osilasi. Biasanya, ketika kita berbicara tentang fluktuasi, yang kita pikirkan adalah perubahan suatu nilai dalam rentang tertentu. Misalnya getaran senar gitar adalah getarannya di sekitar poros tengah. Tetapi ini terjadi hanya karena ujung-ujung tali diikat dengan kuat, sehingga membatasi ruangnya.

Jika kita berbicara tentang suatu sistem alam, maka fluktuasi di dalamnya selalu merupakan perubahan setidaknya dalam dua parameter. Selain itu, parameter fisik saling terkait satu sama lain sedemikian rupa sehingga peningkatan yang satu menyebabkan penurunan yang lain. Misalnya, penurunan tekanan menyebabkan peningkatan volume; medan listrik maksimum sama dengan medan magnet minimum. Umpan balik siklik ini menyebabkan sistem berosilasi dalam nilai tertentu, yang dapat dianggap sebagai konstanta laju.

Berkat konstanta inilah kita selalu merasakan arah yang ada dalam sistem. Misalnya, dari segmen pendek sebuah musik, kita merasakan seperti apa bunyi selanjutnya. Kita dapat memahami logika pengembangan lebih lanjut. Dari sudut pandang matematika, ini berarti menghitung diferensial - laju dan arah perubahan sistem pada titik waktu tertentu. Inilah yang membedakan musik dengan kebisingan sederhana.

Dan fakta bahwa hal ini mungkin terjadi menunjukkan bahwa dunia secara keseluruhan adalah satu sistem di mana semua proses saling terhubung satu sama lain. Dan semua perubahan kecepatan di dalamnya dapat diprediksi dan saling berhubungan secara logis.