Ορισμός Δύναμης στην Επιστήμη

Στη φυσική και σε άλλες επιστήμες, μια δύναμη είναι μια ώθηση ή τράβηγμα σε μια μάζα που μπορεί να αλλάξει την κίνηση του αντικειμένου. Η δύναμη είναι ένα διανυσματικό μέγεθος, που σημαίνει ότι έχει και μέγεθος και κατεύθυνση. Το σύμβολο της δύναμης είναι το κεφαλαίο γράμμα F. Ένα διάσημο παράδειγμα εξίσωσης δύναμης είναι ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα:

F =m*a

Εδώ το F είναι δύναμη, το m είναι η μάζα και το a είναι η επιτάχυνση. Αυτός ο νόμος δηλώνει ότι μια καθαρή δύναμη ισούται με το ρυθμό μεταβολής της ορμής της με το χρόνο. Υποθέτοντας ότι η μάζα είναι σταθερή, η επιτάχυνση του αντικειμένου (μεταβολή στην ταχύτητα) είναι ευθέως ανάλογη με τη δύναμη και την κατεύθυνση της δύναμης.

Μονάδες Δύναμης

Η μονάδα δύναμης SI είναι το Newton (N), το οποίο είναι ένα χιλιόγραμμο μέτρο ανά δευτερόλεπτο στο τετράγωνο (kg· Κυρία). Άλλες κοινές μονάδες περιλαμβάνουν:

• dyne
• κιλό-δύναμη (κιλόποντο)
• λίβρα
• kip
• λίβρα-δύναμη

Ιστορικό

Οι Έλληνες φιλόσοφοι Αριστοτέλης και Αρχιμήδης μελέτησαν τη δύναμη, αλλά πίστευαν ότι η συνεχής κίνηση απαιτεί μια συνεχώς εφαρμοζόμενη δύναμη. Ο Galileo Galilei και ο Sir Isaac Newton διόρθωσαν αυτή την εσφαλμένη αντίληψη και περιέγραψαν τη δύναμη μαθηματικά. Το πείραμα κεκλιμένου επιπέδου του Γαλιλαίου (1638) περιέγραψε μαθηματικά την φυσική επιταχυνόμενη κίνηση. Οι τρεις νόμοι της κίνησης του Νεύτωνα (1687) περιγράφουν τη δύναμη υπό κανονικές συνθήκες. Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν επεκτείνει τα φαινόμενα που συμβαίνουν κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

Με λίγα λόγια, οι τρεις νόμοι των κινήσεων του Νεύτωνα είναι:

1. Ένα σώμα σε κίνηση παραμένει σε κίνηση με σταθερή ταχύτητα, εκτός εάν ασκηθεί από εξωτερική δύναμη. Ομοίως, ένα σώμα σε ηρεμία παραμένει σε ηρεμία, εκτός εάν ενεργεί από μια εξωτερική δύναμη.
2. Η δύναμη σε ένα αντικείμενο ισούται με τη μάζα του αντικειμένου πολλαπλασιαζόμενη με την επιτάχυνσή του.
3. Όταν ένα αντικείμενο ασκεί δύναμη σε άλλο αντικείμενο, το δεύτερο αντικείμενο ασκεί ίση και αντίθετη δύναμη στο πρώτο.

Παραδείγματα δυνάμεων

Δυνάμεις υπάρχουν παντού γύρω μας στον καθημερινό κόσμο. Για παράδειγμα:

• Η τριβή είναι μια δύναμη που αντιτίθεται στην κίνηση.
• Εφαρμοσμένη δύναμη είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο από ένα άτομο ή άλλο αντικείμενο.
• Η κεντρομόλος δύναμη είναι μια δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα που κινείται σε μια κυκλική διαδρομή που κατευθύνεται προς το κέντρο του κύκλου.
• Η φυγόκεντρη δύναμη είναι μια φαινομενική δύναμη που δρα προς τα έξω σε ένα περιστρεφόμενο σώμα.
• Η κανονική δύναμη είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο που βρίσκεται σε επαφή με μια επιφάνεια.
• Η δύναμη της βαρύτητας είναι η ελκτική δύναμη μεταξύ δύο μαζών. Το βάρος είναι η επιτάχυνση που οφείλεται στη βαρύτητα πολλαπλασιαζόμενη με τη μάζα ενός αντικειμένου.
• Η δύναμη τάσης είναι η δύναμη που έλκει εξίσου δύο αντικείμενα που συνδέονται με μια χορδή, ένα σύρμα ή μια ρόμπα.
• Η δύναμη ελατηρίου είναι η δύναμη που ασκείται από ένα τεντωμένο ή συμπιεσμένο ελατήριο.
• Η δύναμη Coriolis δρα κάθετα προς την κατεύθυνση της κίνησης και τον άξονα περιστροφής σε μια μάζα που κινείται σε ένα περιστρεφόμενο σύστημα.
• Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι η έλξη μεταξύ αντίθετων ηλεκτρικών φορτίων ή μαγνητικών πόλων ή η απώθηση παρόμοιων φορτίων ή μαγνητικών πόλων.

Οι Θεμελιώδεις Δυνάμεις

Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης είναι η βαρύτητα, ο ηλεκτρομαγνητισμός, η ισχυρή αλληλεπίδραση και η ασθενής αλληλεπίδραση.

• Η βαρύτητα είναι η ελκτική δύναμη μεταξύ δύο μαζών. Δρα σε άπειρη απόσταση, αλλά είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις.
• Ο ηλεκτρομαγνητισμός περιγράφει την έλξη και τις απωθήσεις ηλεκτρικών φορτίων και μαγνητών. Όπως η βαρύτητα, είναι αποτελεσματική σε άπειρη απόσταση.
• Η ασθενής αλληλεπίδραση επηρεάζει ορισμένα πυρηνικά φαινόμενα, όπως η διάσπαση βήτα. Η αποτελεσματική εμβέλειά του είναι μόνο περίπου 10 μέτρα, επομένως δρα στην ατομική κλίμακα.
• Η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι πολύ ισχυρή, αλλά δρα μόνο σε εμβέλεια περίπου 10 μέτρων. Μεταξύ άλλων, συνδέει πρωτόνια και νετρόνια μεταξύ τους μέσα στον ατομικό πυρήνα.

Αναφορές

• Corben, H.C.; Stehle, Philip (1994). Κλασική Μηχανική . Νέα Υόρκη:Εκδόσεις Dover. ISBN 978-0-486-68063-7.
• Cutnell, John D.; Johnson, Kenneth W. (2003). Φυσική (6η έκδ.). Hoboken, New Jersey:John Wiley &Sons Inc. ISBN 978-0471151838.
• Hellingman, C. (1992). «Επανεξετάστηκε ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα». Phys. Εκπαίδευση. 27 (2):112–115. doi:10.1088/0031-9120/27/2/011
• Newton, Isaac (1999). The Principia Mathematical Principles of Natural Philosophy . Berkeley:University of California Press. ISBN 978-0-520-08817-7.
• Sears, F.; Zemansky, Μ.; Young, Η. (1982). Πανεπιστημιακή Φυσική . Reading, Μασαχουσέτη:Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-07199-3.