La palabra "poder" es tan abarcadora que darle un concepto claro es una tarea casi imposible. La variedad que va desde la fuerza muscular hasta la fuerza de la mente no cubre toda la gama de conceptos invertidos en ella. La fuerza, considerada como una cantidad física, tiene un significado y una definición bien definidos. La fórmula de la fuerza define un modelo matemático: la dependencia de la fuerza de los parámetros principales.
La historia de la investigación de la fuerza incluye la definición de la dependencia de los parámetros y la prueba experimental de la dependencia.
Poder en física
La fuerza es una medida de la interacción de los cuerpos. La acción mutua de los cuerpos entre sí describe completamente los procesos asociados con un cambio en la velocidad o deformación de los cuerpos.
Como cantidad física, la fuerza tiene una unidad de medida (en el sistema SI - Newton) y un dispositivo para medirla - un dinamómetro. El principio de funcionamiento del dinamómetro se basa en comparar la fuerza que actúa sobre el cuerpo con la fuerza del resorte del dinamómetro.
Se considera que una fuerza de 1 newton es la fuerza bajo la cual un cuerpo de 1 kg de masa cambia su velocidad en 1 m en 1 segundo.
La fuerza como cantidad vectorial se define:
- dirección de acción;
- punto de aplicación;
- módulo, absolutotamaño.
Al describir la interacción, asegúrese de indicar estos parámetros.
Tipos de interacciones naturales: gravitacionales, electromagnéticas, fuertes, débiles. Las fuerzas gravitatorias (la fuerza de la gravitación universal con su variedad, la fuerza de la gravedad) existen debido a la influencia de los campos gravitatorios que rodean a cualquier cuerpo que tenga masa. El estudio de los campos gravitatorios no se ha completado hasta ahora. Todavía no es posible encontrar la fuente del campo.
De la interacción electromagnética de los átomos que componen la materia surge una gama más amplia de fuerzas.
Fuerza de presión
Cuando un cuerpo interactúa con la Tierra, ejerce presión sobre la superficie. La fuerza de presión, cuya fórmula es: P=mg, está determinada por la masa corporal (m). La aceleración gravitacional (g) tiene diferentes valores en diferentes latitudes de la Tierra.
La fuerza de presión vertical es igual en valor absoluto y opuesta en dirección a la fuerza de elasticidad que surge en el soporte. La fórmula de la fuerza cambia según el movimiento del cuerpo.
Cambio en el peso corporal
La acción de un cuerpo sobre un soporte debido a la interacción con la Tierra a menudo se denomina peso del cuerpo. Curiosamente, la cantidad de peso corporal depende de la aceleración del movimiento en la dirección vertical. En el caso de que la dirección de la aceleración sea opuesta a la aceleración de la caída libre, se observa un aumento de peso. Si la aceleración del cuerpo coincide con la dirección de caída libre, entonces el peso del cuerpo disminuye. Por ejemplo, mientras está en un ascensor ascendente, al comienzo del ascenso, una persona siente un aumento de peso durante un tiempo. Afirmar que su masacambia, no. Al mismo tiempo, separamos los conceptos de "peso corporal" y su "masa".
Fuerza elástica
Al cambiar la forma de un cuerpo (su deformación), aparece una fuerza que tiende a devolver el cuerpo a su forma original. A esta fuerza se le dio el nombre de "fuerza elástica". Surge debido a la interacción eléctrica de las partículas que componen el cuerpo.
Consideremos la deformación más simple: tensión y compresión. La tensión se acompaña de un aumento de las dimensiones lineales de los cuerpos, mientras que la compresión se acompaña de su disminución. El valor que caracteriza estos procesos se llama elongación del cuerpo. Lo denotaremos por "x". La fórmula de la fuerza elástica está directamente relacionada con el alargamiento. Cada cuerpo sometido a deformación tiene sus propios parámetros geométricos y físicos. La dependencia de la resistencia elástica a la deformación de las propiedades del cuerpo y del material del que está hecho está determinada por el coeficiente de elasticidad, llamémoslo rigidez (k).
El modelo matemático de la interacción elástica se describe mediante la ley de Hooke.
La fuerza que surge de la deformación del cuerpo se dirige contra la dirección de desplazamiento de las partes individuales del cuerpo, es directamente proporcional a su elongación:
- Fy=-kx (notación vectorial).
El signo "-" indica la dirección opuesta de deformación y fuerza.
No hay signo negativo en forma escalar. La fuerza elástica, cuya fórmula tiene la siguiente forma Fy=kx, se usa solo para deformaciones elásticas.
Interacción del campo magnético con la corriente
Influenciacampo magnético a corriente continua se describe mediante la ley de Ampère. En este caso, la fuerza con la que actúa el campo magnético sobre un conductor de corriente colocado en él se denomina fuerza de Ampère.
La interacción de un campo magnético con una carga eléctrica en movimiento provoca una manifestación de fuerza. La fuerza de amperios, cuya fórmula es F=IBlsinα, depende de la inducción magnética del campo (B), la longitud de la parte activa del conductor (l), la intensidad de la corriente (I) en el conductor y el ángulo entre la dirección de la corriente y la inducción magnética.
Debido a la última dependencia, se puede argumentar que el vector del campo magnético puede cambiar cuando el conductor gira o la dirección de la corriente cambia. La regla de la mano izquierda le permite establecer la dirección de la acción. Si la mano izquierda se coloca de modo que el vector de inducción magnética entre en la palma, cuatro dedos se dirigen a lo largo de la corriente en el conductor, entonces el pulgar doblado 90° mostrará la dirección del campo magnético.
El uso de este efecto por parte de la humanidad se ha encontrado, por ejemplo, en motores eléctricos. La rotación del rotor es causada por un campo magnético creado por un poderoso electroimán. La fórmula de fuerza le permite juzgar la posibilidad de cambiar la potencia del motor. Con un aumento en la intensidad de campo o corriente, el par aumenta, lo que resulta en un aumento en la potencia del motor.
Trayectorias de partículas
La interacción de un campo magnético con una carga se usa ampliamente en espectrógrafos de masas en el estudio de partículas elementales.
La acción del campo en este caso provoca la aparición de una fuerza llamadaFuerza de Lorentz. Cuando una partícula cargada que se mueve a cierta velocidad entra en un campo magnético, la fuerza de Lorentz, cuya fórmula tiene la forma F=vBqsinα, hace que la partícula se mueva en un círculo.
En este modelo matemático, v es el módulo de velocidad de una partícula cuya carga eléctrica es q, B es la inducción magnética del campo, α es el ángulo entre las direcciones de la velocidad y la inducción magnética.
La partícula se mueve en un círculo (o un arco de círculo), ya que la fuerza y la velocidad están dirigidas en un ángulo de 90° entre sí. Cambiar la dirección de la velocidad lineal provoca la aparición de una aceleración.
La regla de la mano izquierda, discutida anteriormente, también tiene lugar cuando se estudia la fuerza de Lorentz: si la mano izquierda se coloca de modo que el vector de inducción magnética entre en la palma, cuatro dedos extendidos en línea se dirigen a lo largo de la velocidad de una partícula cargada positivamente, entonces el pulgar doblado 90° muestra la dirección de la fuerza.
Problemas de plasma
La interacción del campo magnético y la materia se usa en los ciclotrones. Los problemas asociados con el estudio de laboratorio del plasma no permiten mantenerlo en recipientes cerrados. Un gas altamente ionizado solo puede existir a altas temperaturas. El plasma se puede mantener en un lugar en el espacio por medio de campos magnéticos, torciendo el gas en forma de anillo. Las reacciones termonucleares controladas también se pueden estudiar girando plasma a alta temperatura en un filamento usando campos magnéticos.
Un ejemplo de la acción de un campo magnéticoin vivo en gas ionizado - Aurora Borealis. Este majestuoso espectáculo se observa más allá del círculo polar ártico a una altitud de 100 km sobre la superficie terrestre. El misterioso resplandor colorido del gas solo podría explicarse en el siglo XX. El campo magnético de la tierra cerca de los polos no puede evitar que el viento solar penetre en la atmósfera. La radiación más activa dirigida a lo largo de las líneas de inducción magnética provoca la ionización de la atmósfera.
Fenómenos asociados con el movimiento de carga
Históricamente, la cantidad principal que caracteriza el flujo de corriente en un conductor se denomina intensidad de corriente. Curiosamente, este concepto no tiene nada que ver con la fuerza en la física. La intensidad de corriente, cuya fórmula incluye la carga que fluye por unidad de tiempo a través de la sección transversal del conductor, es:
I=q/t, donde t es el tiempo de flujo de carga q
De hecho, la fuerza actual es la cantidad de carga. Su unidad de medida es el Amperio (A), a diferencia del N.
Determinación del trabajo de una fuerza
La acción de la fuerza sobre una sustancia va acompañada de la realización de un trabajo. El trabajo de una fuerza es una cantidad física numéricamente igual al producto de la fuerza y el desplazamiento pasado bajo su acción, y el coseno del ángulo entre las direcciones de la fuerza y el desplazamiento.
El trabajo deseado de la fuerza, cuya fórmula es A=FScosα, incluye la magnitud de la fuerza.
La acción del cuerpo va acompañada de un cambio en la velocidad del cuerpo o deformación, lo que indica cambios simultáneos en la energía. El trabajo realizado por una fuerza depende devalores.
