Forțe și interacțiuni

În fizică, o forță este orice interacțiune care, atunci când nu are forță opusă, va schimba mișcarea unui obiect. O forță poate determina un obiect cu masă să-și schimbe viteza (sau să înceapă să se miște de la o stare de repaus), adică să accelereze. Forța poate fi, de asemenea, descrisă intuitiv ca o împingere sau o tragere. O forță are atât magnitudine, cât și direcție, fiind o cantitate vectorială. Se măsoară în unitatea SI în newtoni și este reprezentată de simbolul F.

Forma originală a celei de-a doua legi a lui Newton afirmă că forța netă care acționează asupra unui obiect este egală cu rata la care impulsul său se schimbă odată cu timpul. Dacă masa obiectului este constantă, această lege implică faptul că accelerația unui obiect este direct proporțională cu forța netă care acționează asupra obiectului, este în direcția forței nete și este invers proporțională cu masa obiectului.

Conceptele legate de forță includ: tracțiunea, care mărește viteza unui obiect; rezistența la mișcare, care scade viteza unui obiect; și cuplul, care produce modificări ale vitezei de rotație a unui obiect. Într-un corp extins, fiecare parte aplică, de obicei, forțe asupra părților adiacente; distribuirea unor astfel de forțe prin corp este efortul mecanic intern. Astfel de tensiuni mecanice interne nu provoacă nicio accelerare a corpului, deoarece forțele se echilibrează reciproc. Presiunea, distribuția multor forțe mici aplicate pe o zonă a corpului este un tip simplu de efort care, dacă este dezechilibrat, poate determina accelerarea corpului. Efortul cauzează, de obicei, deformarea materialelor solide sau fluxul în fluide.

Forțele sunt, de asemenea, descrise ca o împingere sau tragere asupra unui obiect. Acestea se pot datora unor fenomene cum ar fi gravitația, magnetismul sau orice altceva care ar putea determina accelerarea unei mase.
Simboluri comune: F, F
Unitatea SI: newton (N)
Unități de bază SI: 1 kg·m/s²
Derivări din alte cantități: F = m a
Dimensiune: LMT^-2

Dezvoltarea conceptului

Filosofii din antichitate au folosit conceptul de forță în studiul obiectelor staționare și în mișcare și al mașinilor simple, dar gânditorii precum Aristotel și Arhimede au avut erori fundamentale în înțelegerea forței. În parte, acest lucru se datorează unei înțelegeri incomplete a forței uneori ne-evidente de frecare și, prin urmare, o viziune inadecvată a naturii mișcării naturale. O eroare fundamentală a fost convingerea că o forță este necesară pentru a menține mișcarea, chiar și la o viteză constantă. Cele mai multe dintre neînțelegerile anterioare despre mișcare și forță au fost eventual corectate de Galileo Galilei și Isaac Newton. Cu înțelegerea sa a matematicii, Isaac Newton a formulat legi de mișcare care nu au fost îmbunătățite timp de aproape trei sute de ani. La începutul secolului al XX-lea, Einstein a dezvoltat o teorie a relativității care prezice în mod corect acțiunea forțelor asupra obiectelor cu impulsuri crescătoare în apropierea vitezei luminii și oferă, de asemenea, o perspectivă asupra forțelor produse de gravitație și inerție.

Cu o perspectivă modernă a mecanicii cuantice și a tehnologiei care poate accelera particule aproape de viteza luminii, fizica particulelor a inventat un model standard pentru a descrie forțele între particule mai mici decât atomii. Modelul standard prezice că particulele schimbate, numite bosoni gauge, sunt mijloacele fundamentale prin care forțele sunt emise și absorbite. Doar patru interacțiuni principale sunt cunoscute: în ordinea scăderii puterii, ele sunt: forțele ​​puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Observațiile privind fizica particulelor de înaltă energie, realizate în anii 1970 și 1980, au confirmat că forțele slabe și electromagnetice sunt expresii ale unei interacțiuni mai puternice între ele.

Descrieri

(Diagrame ale corpului liber ale unui bloc pe o suprafață plană și pe un plan înclinat. Forțele sunt descompuse și adunate pentru a determina magnitudinea lor și forța netă.)

Deoarece forțele sunt percepute ca împingeri sau trageri, aceasta poate oferi o înțelegere intuitivă pentru descrierea forțelor. Ca și în cazul altor concepte fizice (de exemplu temperatura), înțelegerea intuitivă a forțelor este cuantificată utilizând definiții operaționale precise care sunt în concordanță cu observațiile directe și comparate cu o scală de măsurare standard. Prin experimentare, se determină că măsurătorile de laborator ale forțelor sunt pe deplin compatibile cu definiția conceptuală a forței oferită de mecanica newtoniană.

Forțele acționează într-o anumită direcție și au dimensiuni dependente de cât de puternică este împingerea sau tragerea. Datorită acestor caracteristici, forțele sunt clasificate drept „cantități vectoriale”. Aceasta înseamnă că forțele urmează un set diferit de reguli matematice decât cantitățile fizice care nu au direcție (numite cantități scalare). De exemplu, atunci când se determină ce se întâmplă când două forțe acționează asupra aceluiași obiect, este necesar să se cunoască atât amploarea cât și direcția ambelor forțe pentru a calcula rezultatul. Dacă ambele aceste informații nu sunt cunoscute pentru fiecare forță, situația este ambiguă. De exemplu, dacă știți că doi oameni trag de aceeași coardă cu magnitudine de forță cunoscute, dar nu știți în ce direcție trage fiecare persoană, este imposibil să determinați care va fi accelerarea coardei. Cei doi oameni ar putea trage în direcții opuse ca în concursuri sau în aceeași direcție. În acest exemplu simplu unidimensional, fără a cunoaște direcția forțelor, este imposibil să se decidă dacă forța netă este rezultatul adăugării celor două magnitudini de forță sau scăderii una din cealaltă. Asocierea forțelor cu vectori evită astfel de probleme.

Din punct de vedere istoric, forțele au fost inițial cercetate cantitativ în condiții de echilibru static, unde mai multe forțe se anulează. Astfel de experimente demonstrează proprietățile cruciale a forțelor ca vectori cantitativi aditive: ele au o magnitudine și o direcție. Atunci când două forțe acționează asupra unei particule punctuale, forța rezultantă, rezultanta (numită și forța netă) poate fi determinată urmând regula paralelogramului adiției vectorilor: adăugarea a doi vectori reprezentați de laturile unei paralelograme dă ca echivalent vectorul rezultat care este egal în mărime și direcție cu diagonala paralelogramului. Amplitudinea rezultantei variază de la diferența dintre magnitudinea celor două forțe la suma lor, în funcție de unghiul dintre liniile lor de acțiune. Cu toate acestea, în cazul în care forțele acționează asupra unui corp extins, liniile lor de aplicare trebuie, de asemenea, să fie specificate pentru a ține cont de efectele lor asupra mișcării corpului.

Diagramele corpului liber pot fi utilizate ca o modalitate convenabilă de a urmări forțele care acționează asupra unui sistem. În mod ideal, aceste diagrame sunt desenate cu unghiurile și mărimile relative ale vectorilor de forță păstrate astfel încât adunarea vectorială grafică poate fi făcută pentru a determina forța netă.

Pe lângă faptul că sunt adunate, forțele pot fi, de asemenea, descompuse în componente independente în unghi drept una față de alta. O forță orizontală orientată spre nord-est poate fi, prin urmare, descompusă în două forțe, una îndreptată spre nord și una orientată către est. Descompunerea în aceste forțe componente se face ținând cont de adunarea vectorială pentru a da forța originală. Descompunerea vectorilor de forță în componente ale unui set de vectori de bază este adesea o modalitate mai curată din punct de vedere matematic pentru a descrie forțele decât utilizarea unor magnitudini și direcții. Acest lucru se datorează faptului că, pentru componentele ortogonale, componentele sumelor vectoriale sunt determinate în mod unic prin adunarea scalară a componentelor vectorilor individuali. Componentele ortogonale sunt independente una de cealaltă deoarece forțele care acționează la nouăzeci de grade una față de cealaltă nu au niciun efect asupra magnitudinii sau direcției celeilalte. Alegerea unui set de vectori de bază ortogonali se face deseori luând în considerare ce set de vectori de bază va fin mai convenabil din punct de vedere matematic. Alegerea unui vector de bază care este în aceeași direcție cu una dintre forțe este de dorit, deoarece această forță ar avea apoi o singură componentă non-zero. Vectorii de forță ortogonali pot fi tridimensionali, cu a treiea componentă în unghiuri drepte față de celelalte două.

Interacţiunea

Interacțiunea este un fel de acțiune care are loc atunci când două sau mai multe obiecte au un efect reciproc. Ideea unui efect bidirecțional este esențială în conceptul de interacțiune, spre deosebire de un efect cauzal unic. Un termen apropiat este interconectivitatea, care se ocupă de interacțiunile interacțiunilor dintre sisteme: combinațiile multor interacțiuni simple pot duce la fenomene emergente surprinzătoare. Interacțiunea are sensuri diferite adaptate în diferite științe. Modificările pot implica și interacțiuni.

Exemplele obișnuite de interacțiune în afara științei includ:

• Comunicarea de orice fel, de exemplu, două sau mai multe persoane vorbind între ele sau comunicarea între grupuri, organizații, națiuni sau state: comerțul, migrația, relațiile externe, transportul,
• Feedback-ul în timpul funcționării unei mașini, cum ar fi un computer sau un instrument, de exemplu interacțiunea dintre șofer și poziția mașinii pe șosea: prin direcționare șoferul influențează această poziție, iar prin observare această informație se întoarce la conducătorului auto .

În fizică, o interacțiune fundamentală sau o forță fundamentală este un proces prin care particulele elementare interacționează una cu cealaltă. O interacțiune este deseori descrisă ca un câmp fizic și este mediată de schimbul de bosoni gauge între particule. De exemplu, interacțiunea particulelor încărcate are loc prin medierea câmpurilor electromagnetice, în timp ce dezintegrarea beta are loc prin interacțiunea slabă. O interacțiune este fundamentală atunci când nu poate fi descrisă în termenii altor interacțiuni. Există patru interacțiuni fundamentale cunoscute în natură: interacțiunile electromagnetice, puternice, slabe și gravitaționale. Interacțiunile slabe și electromagnetice sunt unificate în teoria electroslabă, care este unificată cu forța puternică în modelul standard.