Forţa

Forţa nu este cu adevărat o cantitate fundamentală în fizică. Nimeni nu măsoară forța direct. De fiecare dată când cineva o spune că măsoară o forță, o incursiune rapidă în logică ne face să ne dăm seama că ceea ce măsoară într-adevăr este de tensiunea internă (sau, poate, gradientul ei). „Forța” pe care o simțiţi pe pielea dvs., de exemplu, este în fapt presiunea celulelor nervoase care simt o schimbare a presiunii. Un aparat de măsură cu arc măsoară tensiunea arcului, care este de fapt tensiunea sa, etc., etc.

În fizică, o forță ce acționează asupra unui corp determină o acceleraţie a acelui corp (respectiv, schimbarea vitezei sale). Forța este un vector. Unitatea SI folosită pentru a măsura forța este Newton.

În ingineria mecanică:

• Statica: Suma forțelor care acționează asupra unui corp în echilibru static (nemișcat, cu accelerație = 0) este zero. F = MA = 0
• Dinamica: Suma forțelor care acționează asupra unui corp sau sistem de-a lungul timpului este diferită de zero, rezultând un set de accelerații definite de analiză detaliată a ecuațiilor derivate din F = MA.

Forţa a fost descrisă pentru prima dată de Arhimede. Forța totală (newtoniană) asupra unei particule punctuale la un anumit moment într-o situație specifică este definită ca rata de schimbare a impulsului său:

unde m este masa inerțială a particulei, v_o este viteza sa inițială, v este viteza finală, iar T este timpul de la starea inițială la starea finală; expresia din dreapta ecuației fiind limita câmd T tinde către zero.

Forţa a fost definită astfel pentru ca reificarea sa ar explica efectele situațiilor de suprapunere: În cazul în care într-o situație, o forță acţionează asupra unei particule, și dacă în altă situație o altă forță acţionează asupra acelei particule, apoi într-o a treia situație, care (în conformitate cu practica standard din fizică) este considerată a fi o combinație între cele două situații individuale, forța care acţionează asupra particulei va fi suma vectorială a forțelor individuale care au acţionat în primele două situații. Această suprapunere de forțe, împreună cu definiția cadrelor inerțiale și a mesei inerțiale, sunt conținutul empiric al legilor mișcării ale lui Newton.

Deoarece forța este un vector, ea poate fi descompusă în componente. De exemplu, o forță bidimensională care acționează în direcția nord-est poate fi descompusă în două forțe de-a lungul direcţiilor nord și est, respectiv. Suma vectorială a acestor forțe componente este egală cu forța inițială.

Conținutul definiției de mai sus a forței poate fi explicat în continuare. În primul rând, masa unui corp ori viteza sa este egal cu impulsul său (etichetat p). Deci, definiția de mai sus se poate scrie:

F = Δp/Δt

Dacă F nu este constant[ peste Δt, atunci aceasta este definiția de forță medie pe intervalul de timp. Pentru a o aplica la un moment dat, vom aplica o idee de calcul. Consider\nd graficul lui p ca o funcție de timp, forța medie va fi panta liniei care leagă impulsul de două momente de timp. Luând limita ca o apropiere a celor două momente de timp rezultă panta la un moment dat, prin derivata:

F = dp/dt

În cazul mai multor forţe se asociază un câmp de energie potențială. De exemplu, forța gravitațională care acționează asupra unui corp poate fi văzută ca acțiunea câmpului gravitațional, care este prezent în locația corpului.Câmpul potenţial este definit drept câmpul a cărui pantă este minus forța produsă în fiecare punct:

F = – ΔU

În timp ce forța este derivata impulsului în raport cu timpul, derivata forței în raport cu timpul, ca şi derivate de ordin superior, pot fi luate în considerare, dar nu au un nume, deoarece acestea nu sunt utilizate în mod obișnuit.

În cele mai multe expuneri din mecanica, forța este de obicei definită numai implicit, în termenii ecuațiilor cu care se lucrează. Unii fizicieni, filozofi si matematicieni, cum ar fi Ernst Mach, Clifford Truesdell și Walter Noll, au găsit că aceasta este o problemă, și au căutat o definiție mai explicită a forței.

Relațiile dintre unitățile de forță și unitățile de masă

În relația

F = m×a,

care este derivata din a doua lege a lui Newton, F este forța în newtoni, m masa în kilograme și a acceleraţia în metri pe secundă la pătrat. Pentru un fizician, kilogramul este o unitate de masă, dar în limbajul comun „kilogram” este o prescurtare pentru „greutatea unei mase de un kilogram la nivelul mării pe pământ”. La nivelul mării pe pământ, accelerația gravitațională (a în ecuația de mai sus) este de 9,807 metri pe secundă la pătrat, astfel încât greutatea unui kilogram este 1 kg × 9,807 m/s² = 9,807 N.

Pentru a distinge aceste două sensuri ale „kilogramului”, sunt uneori folosite abrevierile „kgm” pentru masa kilogram (respectiv, 1 kg) și „kgf” pentru forța kilogram, de asemenea, numit kilopond (kp), egală cu 9,807 N. Aceştia sunt doar termeni informali, și nu sunt recunoscuţi în sistemul SI de unităţi.

Unități imperiale de forță

Relația F = m×a menționată mai sus poate fi de asemenea utilizată cu unități non-metrice.

De exemplu, în unitățile de măsură imperiale, F este în „livre forță” sau „lbf”, m este în „livre masă” sau „lbm”, iar a este în picioare pe secundă la pătrat.

Ca și în cazul kilogramul, livra este limbajul cotidian folosit atât ca o unitate de masă cât și o unitate de forță sau de greutate. 1 lbf este forța necesară pentru a accelera 1 lbm la 32,174 ft pe secundă la pătrat, cu 32,174 ft pe secundă la pătrat fiind accelerația gravitațională terestră la nivelul mării.

O altă unitate imperială de masă este slug, definit ca 32,174 lbm. Aceasta este masa care este accelerată cu un picior pe secundă la pătrat atunci când o forță lbf se exercită asupra ei.

La nivelul mării pe pământ, valoarea lbm este egală cu exact valoarea lbf, iar valoarea kgm cu kgf. Această echivalență este adevarată numai la suprafața pământului, și nu este valabilă când este folosită altă accelerație decât accelerația standard de gravitaţie (la nivelul mării pe Pământ).

Cu alte cuvinte, masa și forța exercitată la nivelul pământului sunt egale în livre (lbm și lbf) pe Pământ, la nivelul mării. Deoarece kgf și lbf sunt unități de forță, ele sunt invariante, și echivalența 1 kgf = 2,2046 lbf este întotdeauna adevărată. Conversia 1 kgm = 2,2046 lbm este valabilă doar pe Pământ, la nivelul mării.